APLICACIÓN DE EFEL 1.0 PARA LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA ELECTROMECÁNICA EN EQUIPOS DE BOMBEO

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1 APLICACIÓN DE EFEL 1.0 PARA LA DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA ELECTROMECÁNICA EN EQUIPOS DE BOMBEO EFEL 1.0 Application for the Determination of the Electromechanical Efficiency in Pumping Equipment Gerardo Delgado Ramírez 1 ; Alan Joel Servín Prieto 2 ; Carlos Miguel Ramos Cruz 2 ; Miguel Rivera González 1 ; Juan Estrada Ávalos 1. 1 INIFAP. Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua Suelo Planta Atmósfera (CENID RASPA). Km 6.5 Canal Sacramento, C.P Gómez Palacio, Durango, México. 2 Técnico Auxiliar de Investigador del CENID RASPA, INIFAP. delgado.gerardo@inifap.gob.mx RESUMEN Los costos de la energía eléctrica son muy elevados debido a bajas eficiencias electromecánicas de los equipos de bombeo. El promedio de dichas eficiencias oscila del 36 al 40 por ciento, cuando deberían ser superiores al 60 por ciento, lo cual influye en altos consumos de energía mayores de 45,000 kwh por mes. 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 energía eléctrica. Ante la problemática mencionada anteriormente, el personal investigador del CENID RASPA generó un software que calcula la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo de pozo profundo de acuerdo a la metodología propuesta por la NOM- 006-ENER-1995 (EFEL 1.0). En base a la eficiencia calculada y al valor mínimo permisible por la norma antes mencionada, el software genera una serie de recomendaciones para incrementar dicha eficiencia con el propósito de reducir los costos de energía eléctrica. Este trabajo consistió en validar el software EFEL 1.0 para determinar la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo de pozo profundo para uso agrícola con el propósito de identificar posibles ahorros de energía eléctrica mediante el incremento de la eficiencia, corrección del factor de potencia y selección del calibre óptimo de los conductores de la energía eléctrica. Palabras clave: Pozo profundo, software, factor de potencia, energía eléctrica. SUMMARY The costs of the electric energy are very high due to low electromechanical efficiencies of the pumping equipment. The average of the above mentioned efficiencies ranges from 36 to 40 percent, when they should be superior to 60 percent, which influences on high energy consumptions of 45,000 kwh per month. From there the importance of evaluating periodically the electromechanical efficiency of the pumping equipment of deep well with the purpose of monitoring and in its case to improve the relation between the consumed energy and the water volume extracted through actions that allow to reduce the consumption of electrical energy. Based on the problematic mentioned previously, the research personnel of the CENID - RASPA generated a software that calculates the electromechanical efficiency of the pumping equipment of deep well according to the methodology proposed by the NOM-006-ENER-1995 (EFEL 111

2 VOLUMEN 15 NÚMERO ). On the basis of the calculated efficiency and the minimal permissible value for the norm before mentioned, the software generates a series of recommendations to increase the above mentioned efficiency with the intention of reducing the costs of electric power. This work consisted of validating the software EFEL 1.0 to determine the electromechanical efficiency of the pumping equipment of deep well for agricultural use with the intention of identifying possible savings of electric power by means of the increase of the efficiency, correction of the factor of power and selection of the optimal caliber of the drivers of the electric energy. Keywords: Deep well, software, factor of power, electric power. INTRODUCCIÓN En México existen aproximadamente 6.3 millones de hectáreas bajo riego que representan alrededor del 40.6 por ciento de su superficie arable (Sánchez et al., 2002). En esta superficie se utilizan diversos sistemas de irrigación destacándose el riego por superficie (con valor cercano al 90 por ciento), el resto es ocupado por sistemas de riego presurizados (baja y alta presión), este tipo de sistemas por lo regular son abastecidos de agua por equipos de bombeo para pozo profundo donde la energía eléctrica es el principal insumo para la operación de estos equipos. Los costos de la energía eléctrica son muy elevados debido a bajas eficiencias electromecánicas de los equipos de bombeo (Peña, 1989). El promedio de dichas eficiencias oscila del 36 al 40 por ciento, cuando deberían ser superiores al 60 por ciento, lo cual influye en altos consumos de energía mayores de 45,000 kwh por mes (Delgado et al., 2013a). 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 energía eléctrica. Ante la problemática mencionada anteriormente, el personal investigador del Centro Nacional de Investigación Disciplinaria Relación Agua-Suelo- Planta-Atmósfera (CENID RASPA) perteneciente al Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) generó un software con el propósito de calcular la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo de pozo profundo de acuerdo a la metodología propuesta por la Norma Oficial Mexicana (NOM-006-ENER-1995). Este software 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 de bombeo con el objeto de mantener o mejorar la eficiencia al valor mínimo permisible. 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 Asimismo, realiza un análisis de optimización del calibre del conductor de energía eléctrica desde el arrancador hasta el motor eléctrico. Todo esto, con la finalidad de contribuir en la disminución de los costos de la energía eléctrica por la extracción del agua subterránea (Delgado et al., 2013b). El siguiente trabajo consistió en validar el software EFEL 1.0 para determinar la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo de pozo profundo para uso agrícola con el propósito de identificar posibles ahorros de energía eléctrica mediante el incremento de la eficiencia, corrección del factor de potencia y selección del calibre óptimo de los conductores de la energía eléctrica. MATERIALES Y MÉTODOS Se evaluaron ochos equipos de bombeo de pozo profundo con motor externo para determinar la eficiencia electromecánica. Esto se realizó en un predio agropecuario localizado en la ciudad de Gómez Palacio Durango. Estos equipos se evaluaron en base a la Norma Oficial Mexicana 006 (NOM-006-ENER-1995), la cual trata sobre la efi- 112

3 RELACIONES AGUA-SUELO-PLANTA ciencia energética electromecánica en sistemas de bombeo para pozo profundo en operación, y aplica para bombas verticales tipo turbina con motor eléctrico: externo o sumergible, y para intervalo de potencias de 7.5 a 350 hp. Además, tiene como finalidad establecer el nivel mínimo de eficiencia energética electromecánica para la operación de sistemas de bombeo para riego agrícola y servicios municipales (Cuadro 1). Cuadro 1. Límites mínimos permisibles de eficiencia electromecánica de equipos de bombeo para pozo profundo establecidos por la NOM-006-ENER La eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo para pozo profundo es el cociente 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: ( qv ) *( ρ) *( g) *( H ) E. E. = ( 3) *( V ) *( I) *( fp ) (1) Donde E. E. es la eficiencia electromecánica q (%); v es 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 es la tensión eléctrica (volt); I es la corriente eléctrica (amperes); fp es el factor de potencia (adimensional). El procedimiento para la evaluación de la eficiencia electromecánica en los equipos de bombeo, fue el siguiente: 1) Aforo del caudal bombeado: Esta actividad se realizó mediante la técnica del molinete, la cual es práctica y precisa para medir la velocidad de agua en tubos llenos (Ruiz, 2011; Tezeta, 2011). Para ello, se utilizó un molinete digital marca Global Water modelo FP-111. Este fue calibrado de fábrica y dispone de una tabla o una ecuación para transformaciones de datos. La velocidad del agua se midió, colocando el molinete a una profundidad del 60% del tirante hidráulico de la tubería de descarga del pozo (Figura 1), se tomó lecturas a un intervalo de 60 segundos. 113

4 VOLUMEN 15 NÚMERO Figura 1. Aforo del caudal bombeado de un equipo de bombeo para pozo profundo. El gasto en una tubería totalmente llena se calculó con la siguiente ecuación: Q= 785.4*( d) 2 *( v) (2) 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 calculó mediante la siguiente expresión matemática: 2 Q= ( c)*( d) *( v) (3) 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) Determinación del nivel dinámico: El nivel dinámico es 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, sus unidades son metros. Este nivel depende prácticamente del caudal de bombeo, del tiempo de bombeo y de las características hidrogeológicas del acuífero (Quintero, 1994). Para este estudio, se utilizaron tres técnicas para la medición de dicho nivel, estas fueron: Sondeo: Esta técnica se utilizó para medir el nivel de un equipo de bombeo, para ello, fue necesario un dispositivo de conductores eléctricos con forro de plástico, el cual tenía un voltímetro (15 volts) y una fuente de energía (batería) para conectar un cable dieléctrico (calibre 16). El cable se introdujo lentamente al pozo entre las tuberías de ademe y la tubería de columna o succión hasta que el voltímetro marco los 15 volts, esta medida indicó que las puntas del cable estaban en la superficie del agua (Figura 2). Esta técnica tiene restricciones para su uso, depende de las condiciones que se encuentra el pozo, no tiene que estar sellado, desviado, colapsado, ni tener ningún tipo de parches en el ademe. 114

5 RELACIONES AGUA-SUELO-PLANTA Figura 2. Determinación del nivel dinámico de un pozo mediante la técnica de sondeo. Número de tramos de tubería de columna: Esta técnica se utilizó para la medición del nivel en cuatro equipos de bombeo, esto debido a que los pozos estaban sellados y por lo tanto, no se pudo introducir el cable para medir el nivel mediante la técnica de sondeo. Para realizar la medición fue necesario el dato certero del número de tramos de tubería de columna o succión. Esta técnica asume que la bomba (cuerpo de tazones) está sumergida dentro del nivel del agua al menos tres tramos de tubería de columna, o sea, a una profundidad de 9.3 m. De igual forma, considera que la longitud de la tubería de columna esta estandarizada a 3.1 m. Para la determinación del nivel dinámico se empleó la siguiente expresión: N. D. = ( No. tramos *3.1) (9.3) (4) Donde N.D. es el nivel dinámico del pozo (m); No. tramos es el número de tramos de tubería de columna o succión (adimensional). Sonda neumática: Esta técnica se utilizó para la medición del nivel en tres equipos de bombeo. Para su aplicación, el pozo debe tener instalado una manguera de plástico con diámetro de 3/8 de pulgada. Esta técnica facilita la medición del nivel y sobre todo evita un posible riesgo de daño a la bomba, ya que no se introduce ningún tipo de cable dieléctrico al pozo. Para utilizar esta técnica, se utilizó el siguiente material: manómetro con escala de 100 psi, o su equivalente a 7 kg cm -2, y un compresor o bomba de aire para presurizar la sonda (manguera). También, fue necesario el dato certero de número de tramos de columna (Figura 3). Para la determinación del nivel dinámico se utilizó la siguiente expresión: {( Lec ) * (0.7031)} N. D. = ( No. tramos) manómetro (5) Donde Lecmanómetro es la lectura del manómetro (psi). 3) Medición de parámetros eléctricos: Se utilizó un medidor de potencia TRMS modelo 3910 (Figura 4). El medidor de potencia realizó medidas de valor verdadero de corriente y de voltaje, además proporcionó lecturas inmediatas de factor de potencia, potencia activa, potencia reactiva, potencia evidente y la frecuencia. 115

6 VOLUMEN 15 NÚMERO Figura 3. Determinación del nivel dinámico mediante sonda neumática. Es de suma importancia monitorear el factor de potencia, el cual es un indicador sobre el correcto aprovechamiento de la energía. Este es monitoreado por la CFE; si el factor es menor de 0.90 la CFE sanciona o penaliza a todo usuario, para ello utiliza la siguiente expresión: 3 90 % Re c arg o= ( ) 1)*100 5 F. P. (6) Donde % Re c arg o es el porcentaje de recargo que ejecuta la CFE (%); F.P. es el factor de potencia del equipo de bombeo (adimensional). Figura 4. Medidor de potencia TRMS modelo

7 RELACIONES AGUA-SUELO-PLANTA 4) Captura y análisis de información en el software EFEL 1.0: Al levantar la información de campo se procedió a la captura y análisis mediante el software EFEL 1.0 (Figura 5). Para ello, fue necesario introducir el gasto bombeado, nivel dinámico y los parámetros medidos en los equipos de bombeo. Además, también se capturó información específica como: diámetro de succión, diámetro de la tubería de descarga, diámetro de la tubería de columna o succión, longitud de descarga, elevación de descarga, capacidad del motor y diámetro de flecha. Esta información fue requerida por el software para el cálculo de la eficiencia electromecánica. Figura 5. Software EFEL 1.0 para calcular eficiencias electromecánicas de los equipos de bombeo para pozo profundo en base a la NOM-006-ENER El software EFEL 1.0 también generó una serie de recomendaciones para los equipos que presentaron una eficiencia menor a la permisible por la NOM-006-ENER Esto, con la finalidad de incrementar la eficiencia y a su vez reducir el consumo de energía por volumen de agua extraído por el equipo de bombeo, denominada esta relación como productividad del pozo (kwh m -3 ). Asimismo, calculó el porcentaje de recargo que ejecuta la CFE en los equipos que presentaron un factor de potencia menor al Por último, el software realizó un análisis de optimización sobre el calibre de los conductores de energía desde el arrancador hasta el motor eléctrico. Para ello, fue necesario la siguiente información, como: amperaje, longitud de los conductores, calibre del conductor instalado en el equipo de bombeo y el costo unitario de la energía eléctrica (kwh). RESULTADOS Y DISCUSIÓN En primera instancia, se describen los resultados de las eficiencias electromecánicas de los ocho equipos de bombeo de pozo profundo, así como las posibles acciones de mejora para incrementar la eficiencia a la mínima permisible por la NOM-006-ENER-1995, las cuales fueron generadas por el software EFEL 1.0. También se presenta el porcentaje de recargo por bajo factor de potencia. Por último, se presenta el análisis de optimización del calibre de los conductores. Eficiencia Electromecánica De acuerdo a las evaluaciones realizadas a los nueve equipos de bombeo y al análisis proporcionado por el software EFEL 1.0, los pozos 1, 2, 6, 7 y 8 presentaron una eficiencia electromecánica 117

8 VOLUMEN 15 NÚMERO mayor que la mínima permisible por la NOM-006- ENER-1995, la cual es del 64% ya que estos equipos disponen de motores eléctricos de capacidades de 200 a 300 hp (Cuadro 2), lo cual indica que el motor eléctrico y la bomba (cuerpo de tazones) están trabajando eficientemente. Esto se confirma en el índice de productividad de pozo donde el valor oscila en los cinco equipos de bombeo de 0.47 a 0.77 kwhm -3 de volumen de agua extraído. Siendo los pozos más eficientes y productivos del predio agrícola. Cuadro 2. Resultados de la evaluación de la eficiencia electromecánica en equipos de bombeo de pozo profundo para uso agrícola. El resto de los pozos presentaron baja eficiencia con respecto a la mínima permisible por la NOM-006-ENER-1995 (64%). Esta baja eficiencia origina un menor rendimiento y un mayor consumo de energía eléctrica. En base a esto, el software EFEL 1.0 generó una serie de recomendaciones o sugerencias específicas dirigidas para cada pozo en particular con la finalidad de incrementar la eficiencia electromecánica y su vez reducir el de productividad del pozo. Para el pozo 3 sugiere realizar un ajuste a la bomba o cuerpo de tazones, esto es posible si el tipo de tazón es abierto o semiabierto. Con lo referente a los pozos 4 y 5 el EFEL 1.0 recomienda desmontar los equipos de bombeo para supervisar las condiciones que se encuentran los cuerpos de tazones para tomar las acciones pertinentes para corregir posibles daños. Con lo relativo al factor de potencia, todos los equipos de bombeo presentan bajo factor de potencia con referencia al valor mínimo permisible por la CFE (menor de 0.90). En base a lo anterior, EFEL 1.0 calculó el porcentaje de recargo con el cual penaliza la CFE; y además, sugiere como acción de mejora la instalación de banco de capacitores en los equipos de bombeo. Priorizando esta acción, en los pozos 5, 8 y 4, ya que estos presentaron porcentajes de recargo de 40 y 8.4% respectivamente. Esta acción permite eliminar por completo el recargo o penalización que ejecuta la CFE. Análisis de optimización del calibre de los conductores de energía. En el Cuadro 3 se presentan los resultados del análisis de optimización del calibre de los conductores de energía desde el arrancador hasta el motor eléctrico con la finalidad de identificar posibles ahorros de energía eléctrica mediante la selección 118

9 RELACIONES AGUA-SUELO-PLANTA del calibre apropiado. El análisis nos indica que en todos los equipos de bombeo existen áreas de oportunidad para el ahorro de energía, ya que estos no tienen instalado el calibre adecuado. Para ello, se sugiere cambiar la instalación de los conductores y colocar el óptimo en base a lo recomendado por el software EFEL 1.0. En el mismo cuadro se observa los posibles ahorros de energía de los ocho equipos de bombeo donde los valores oscilan de 315 a 766 kwh año -1. Es importante valorar estos valores si es costeable el cambio de calibre de los conductores, asumiendo un período de operación considerable para determinar el tiempo de amortización de esta acción de mejora. Cuadro 3. Resultados del análisis de optimización del calibre de los conductores de energía del equipo de bombeo generado por el software EFEL 1.0 CONCLUSIONES El uso del software EFEL 1.0 facilitó el cálculo de la eficiencia electromecánica en ocho equipos de bombeo de pozo profundo, además permitió identificar 3 pozos con bajas eficiencias con respecto a la NOM-006-ENER Para estos pozos, generó una serie de recomendaciones o acciones de mejora con el propósito de incrementar dicha eficiencia y reducir el índice de productividad del pozo. También, determinó el recargo de penalización que ejecuta la CFE por bajo factor de potencia en todos los equipos de bombeo evaluados. Por último, EFEL 1.0 realizó un análisis de optimización del calibre de los conductores de energía donde se logró identificar ahorro de energía eléctrica con el hecho de cambiar el calibre de los conductores instalados por los sugeridos por el software en función a la longitud de los conductores y a la corriente que conducen desde el arrancador hasta el motor eléctrico. LITERATURA CITADA Delgado, R. G., J. Estrada Á., R. Trucíos C., M. Rivera G., y E. A. Catalán V (a). 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 Delgado, R. G., M. Rivera G., R. Trucíos C., J. Estrada Á., y E. A. Catalán V (b). Programa para el cálculo de las Eficiencias Electromecánicas en Equipos de Bombeo de Pozo Profundo (EFEL 1.0). Revista. Vol. 13. No.2. Diciembre Norma Oficial Mexicana. NOM-006-ENER Eficiencia Energética Electromecánica en Sistemas de Bombeo para Pozo Profundo en Operación. Peña, S. E Eficiencias Electromecánicas de los Equipos de Bombeo y de las condiciones Hidráulicas en los Pozos. Ingeniería Hidráulica en México. 119

10 VOLUMEN 15 NÚMERO Quintero, S. J Hidráulica de Pozos. Curso Internacional de Manejo de Protección de Acuíferos. Universidad Nacional de Colombia. Santafé 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 Pozo 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 (IMTA). Jiutepec, Morelos, México. Sánchez, C. I., J. Estrada Á., y G. González C Irrigation Technology in the Irrigation Districts of Mexico. International Water Resources Association. Water International 27. E.E.U.U. 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. 120