Plantas mini hidroeléctricas con bombas centrífugas y motores de inducción

Transcripción

1 Planas mini hidroelécricas con bombas cenrífugas y moores de inducción Dr. Armando Llamas Terrés (Senior Member) Cenro de esudios de energía - ITESM, Campus Monerrey allamas@iesm.mx Ing. Juan José Flores Cruz Servicios de Agua y Drenaje de Monerrey I.P.D. GE 9 P11 Dr. Belzahe Treviño Cenro de esudios del agua ITESM Campus Monerrey Ing. José Ignacio Luján Dpo. de Ingeniería Civil ITESM Campus Monerrey Ing. José Luis López Salinas Deparameno de Ingeniería Mecánica ITESM Campus Monerrey RESUME El objeivo de nuesra invesigación fue analizar la viabilidad écnica de uilizar en una pequeña cenral hidroelécrica una bomba hidráulica en senido inverso que funcione como urbina y un moor de inducción que opere como generador. Al final de nuesro rabajo comprobamos que el esquema bomba-moor en operación inversa, represena una oporunidad real y eficiene para la generación de energía elécrica, alernaiva que puede impulsar el aprovechamieno de los recursos hidráulicos de bajo caudal en nuesro país. ITRODUCCIÓ Aprovechar pequeñas corrienes de agua para la generación de energía elécrica es una buena oporunidad para incenivar el desarrollo de pequeñas comunidades ubicadas en zonas aisladas. RVP-AI/005 GE-09 POECIA RECOMEDADA POR EL COMITÉ DE GEERACIÓ DEL CAPÍTULO DE POTECIA DEL IEEE SECCIÓ MÉXICO Y PRESETADA E LA REUIÓ DE VERAO, RVP-AI 005, ACAPULCO, GRO., DEL 10 AL 16 DE JULIO DE 005. Inclusive las mini-hidroelécricas (cenrales hidroelécricas de baja capacidad) son una buena oporunidad para incremenar la producividad de aquellas empresas cuyos procesos permian ese ipo de proyecos, por ejemplo, en los sisemas de abaso de agua poable, durane el proceso de conducción, ocasionalmene es écnicamene necesario disminuir la presión de las uberías mediane el desfogue a anques abieros a la amósfera, en esos casos esa energía hidráulica que se pierde pudiera aprovecharse para la generación de energía elécrica. En un país como el nuesro, en vías de desarrollo, el uso eficiene y racional de los recursos con los que conamos se conviere en un aspeco de gran imporancia. Sin embargo la uilización de pequeños poenciales hidráulicos para la generación de energía elécrica es una oporunidad que en nuesro país no ha sido aprovechada exensivamene, eso en pare se ha debido a la escasa comercialización y alos cosos de las urbinas hidráulicas y de los generadores elécricos. Por lo ano, para incenivar el desarrollo de esa acividad, es necesario disminuir los cosos y complejidad de implemenación. El Cenro de Esudios de Energía del Insiuo Tecnológico y de Esudios Superiores de Monerrey, Campus 1

2 Monerrey, denro del Programa de Graduados en Ingeniería, se avocó a buscar alernaivas que permian aumenar la facibilidad de ese ipo de proyecos. Una opción que resuló basane viable para alcanzar nuesro objeivo, fue emplear una bomba cenrífuga, la cual operando en senido inverso hiciera la función de una urbina y uilizar un moor elécrico que haga las veces de generador. Efecuamos varias pruebas experimenales bajo el esquema mencionado, alcanzando resulados basane alenadores. DESARROLLO Un generador de inducción (ambién llamado generador asíncrono) es un moor de inducción jaula de ardilla operando en senido inverso, es decir, recibiendo energía mecánica en su flecha y enregando energía elécrica en sus erminales. La amplia disponibilidad en el mercado nacional de moores elécricos de inducción con roor jaula de ardilla, hace que esos equipos sean más económicos que los generadores síncronos. Ora venaja del generador de inducción para su aplicación en mini hidroelécricas es que esa máquina opera denro de un rango de deslizamieno, por lo cual el conrol de la velocidad de su flecha no precisa de ener la exaciud como lo requiere el generador síncrono. Una diferencia imporane enre un generador asíncrono y uno síncrono de imán permanene es que ese úlimo es capaz de funcionar sin conexión a la red de energía elécrica. Un generador asíncrono por lo conrario, precisa de que el esaor esé magneizado por la red elécrica anes de funcionar. Sin embargo, se puede hacer funcionar un generador asíncrono de forma auónoma si se le provee de condensadores que le suminisren la corriene magneizane necesaria. También es preciso que exisa algo de magneismo remanene en el hierro del roor (en caso conrario se requerirá una baería para ocasionar un flujo remanene). Como mencionamos aneriormene, el propósio de nuesra experimenación fue uilizar un generador de inducción accionado en su flecha mediane una bomba cenrífuga la cual a su vez sería movida por un flujo hidráulico en senido inverso, es decir un flujo aplicado en la descarga de la bomba y desfogado a ravés de la succión. De esa forma el fluido enregará su poencia al impulsor de la bomba y ese a su vez ransmiirá poencia mecánica a la flecha del generador de inducción al que se encuenra acoplada. Es decir la bomba esará operando como una urbina hidráulica. La figura siguiene muesra el esquema que uilizamos en nuesras pruebas, una ubería de agua exisene nos proporcionó el poencial hidráulico. Línea hidráulica de gran flujo y presión Válvula de alimenación y conrol Manómero de enrada Conjuno moor bomba sujeo a prueba Manómero de salida Recipiene para medición de flujo por el méodo de volumen iempo uesro moor jaula de ardilla funcionará como generador de inducción bajo dos esquemas, uno de esos es arrancando como moor conecado a la red elécrica para poseriormene, auxiliado por la bomba en operación inversa, aumenar su velocidad y converirse en generador enregando poencia a la red elécrica. El

3 segundo esquema es el de mover la flecha del moor de inducción uilizando únicamene la poencia mecánica que enrega la bomba en senido inverso y mediane el uso de un banco de capaciores, lograr que el moor se conviera en generador. A coninuación describimos los pasos que seguimos en nuesras pruebas para cada uno de los esquemas mencionados. Moor conecado a una red elécrica. elevemos la velocidad de la flecha del moor hasa alcanzar la velocidad síncrona. d) Monioreando la magniud y senido de la poencia en las erminales de la máquina elécrica, incremenar el flujo hasa rebasar la velocidad síncrona. e) En cada una de las eapas se regisran lecuras de velocidad en flecha del moor, presiones de succión y descarga, flujo y parámeros elécricos. Sin conexión a la red elécrica Equipo de medición elécrica Equipo de medición elécrica Inerrupor S Red Elécrica Exisene Inerrupor Generador de Inducción Inerrupor S1 Banco de Resisencias Máquina de Inducción Cargas Elécricas Diversas Banco de Capaciores Esquema del generador sin conexión a la red Esquema del generador con conexión a la red a) Mediane la regulación de las válvulas dispuesas en la succión y descarga de la máquina hidráulica, llevaremos al conjuno hasa una velocidad al que la flecha de la máquina elécrica gire a una velocidad levemene inferior a la síncrona. b) Logrado lo anerior se coneca elécricamene el moor a la red exisene, cabe mencionar que previamene se revisan las conexiones de las fases a fin de que el giro del moor sea en el mismo senido de como es impulsado por la bomba en operación inversa. c) Realizado lo anerior se regulan las válvulas de succión y descarga de al forma que incremenando el flujo hidráulico, a) Mediane la regulación de las válvulas dispuesas en la succión y descarga de la máquina hidráulica, llevaremos al conjuno hasa una velocidad al que la flecha de la máquina elécrica gire a velocidad síncrona. b) Logrado lo anerior se mide volaje en las erminales del generador de inducción. En ese momeno debe enconrarse un pequeño volaje, debido magneismo remanene presene en la máquina elécrica. c) Alcanzado lo anerior se procede a cerrar el inerrupor que coneca a un banco de capaciores, el banco de capaciores debe proporcionar la poencia reaciva que la máquina de inducción oma en vacío cuando opera como moor. De ser necesario se regula el flujo de manera al de conservar la velocidad síncrona en flecha. En ese momeno el volaje y 3

4 frecuencia en las erminales del moor deben ser similares a los de la placa del moor, dependiendo de la conexión elegida en la caja de erminales. d) Logrado lo anerior se cierra el inerrupor que coneca un banco de cargas. En ese momeno deberemos regular el flujo hidráulico de al forma que conservemos la velocidad síncrona en la flecha del generador. Se moniorea la poencia enregada por el generador de inducción a la carga elécrica. e) En cada una de las eapas se regisran lecuras de velocidad en flecha del moor, presiones de succión y descarga, flujo y parámeros elécricos. Si bien, durane nuesra experimenación fue muy saisfacorio observar el desempeño de nuesro conjuno moor bomba funcionando como generador y urbina, cuando analizamos los daos de flujo y presión hidráulica y los comparamos con la poencia elécrica generada nuesra saisfacción fue mayor pues la eficiencia energéica de los equipos en senido inverso fue basane acepable, muy similares a las que el fabricane garaniza en su operación normal. En nuesros experimenos, probamos con diversos equipos de bombeo, sin embargo los mejores resulados los alcanzamos con un equipo de bombeo de flujo radial con succión de 3 pulgadas, descarga de.5 pulgadas, impulsor ipo cerrado con diámero máximo de 7-1/16 pulgadas, eficiencia máxima del 65%, según gráficas del fabricane. Moor elécrico de 3 h. p. de res fases 1740 r. p. m. con una eficiencia a plena carga del 81.5 % de dao de placa. En la abla siguiene se incluyen algunos daos de la prueba donde el moor fue conecado a la red elécrica, se observa que conforme aceleramos la flecha del moor, disminuye la magniud de la poencia elécrica hasa cambiar de signo, momeno en el cual se conviere en generador y empieza a aporar poencia elécrica a la red, ambién se observa la eficiencia que alcanzan los equipos en su operación inversa. Velocidad en Flecha de Máquina Elécrica (Rev./min) Presión Diferencial Succión- Descarga (kg./cm²) Caudal (l/seg.) Poencia idráulica (Was) Poencia en erminales de la Máquina Elécrica (Was) Eficiencia del Conjuno "urbina generador" Eficiencia de la bomba como urbina Eficiencia del moor como generador _ _ _ % 63% 8% % 64% 8% % 65% 81% Anes de lograr resulados favorables, en nuesras pruebas, efecuamos varios experimenos infrucuosos donde el principal problema era que nuesro equipo de bombeo en operación inversa no lograba acelerar la flecha de la máquina elécrica por arriba de la velocidad síncrona. El principal problema a resolver cuando seleccionamos una bomba para ser uilizada como urbina es la fala de información al respeco. Si bien, los disribuidores cuenan con las curvas de operación de sus equipos de bombeo, ignoran por compleo el comporamieno de sus equipos al operar en forma inversa. Por lo ano, en la mayoría de los casos, la mejor opción para el usuario, es predecir por si mismo en forma aproximada el desempeño del equipo. Las siguienes son formulas uilizadas para obener una esimación de la carga y flujo que requiere un equipo de bombeo para llegar al puno de máxima eficiencia en su operación como urbina (omadas de Pumps as Turbines, a user s guide; Arhur Williams). 4

5 ; (η ) 0.8 ; η η (η ) 1. Donde: es el flujo a máxima eficiencia de la máquina en el modo de bomba es la carga a máxima eficiencia de la máquina en el modo de bomba η es la máxima eficiencia de la máquina en el modo de bomba es el flujo a máxima eficiencia de la máquina en el modo de urbina es la carga a máxima eficiencia de la máquina en el modo de urbina η es la máxima eficiencia de la máquina en el modo de urbina Si la velocidad de operación del modo urbina no es la misma que la operación como bomba, podemos hacer uso de las leyes de afinidad, de al modo que podamos ransformar los parámeros para cualquier velocidad. (η ) ; 0. 8 p ( ) 1. η p enre un fluido y un impulsor esa principalmene deerminada por la posición y forma de sus alabes, es decir por los ángulos de ésos. Cuando se esá operando en el modo urbina, la ransferencia de energía al roor esa deerminada por la forma de la cámara espiral o volua de la bomba, por lo ano diferenes dealles de diseños y fabricación afecarán la operación de esa máquina, dos máquinas pueden ener similar operación en el modo bomba pero no necesariamene alcanzaran las mismas condiciones operando en el modo urbina. Con nuesras pruebas consaamos que esas formulas brindan una buena aproximación, el equipo de nuesro experimeno mencionado aneriormene, en su modo bomba el fabricane precisaba para máxima eficiencia en el modo bomba a 1750 r.p.m. un flujo de 9.5 l.p.s. y una carga de 1 m.c.a. Aplicando las ecuaciones enconramos: η ( l. p s) T Turbina B 1750 ( 0.65) T B η 1750 ( 0.65) En la siguiene abla comparamos los parámeros calculados con los obenidos en la prueba física a 1850 r.p.m. ( mca. ) Turbina Donde: es la velocidad de la flecha de la máquina en el modo urbina y p es la velocidad de la máquina en el modo de bomba. calculado (l.p.s.) de prueba (l.p.s.) calculado.48 (m.c.a.) de prueba 5 (m.c.a.) En realidad, esos procedimienos generales son solo aproximaciones que podemos efecuar. La energía ransferida 5

6 COCLUSIOES Con el desarrollo de nuesras pruebas se ha consaado que la uilización de un equipo de bombeo operando en senido inverso y un moor de inducción, es una opción prácica y versáil para la generación de energía elécrica a parir de pequeños flujos hidráulicos. Uno de los aspecos a resalar es la eficiencia que alcanzan en operación inversa ano el equipo de bombeo como el moor elécrico, eficiencia muy similar al que desarrollan en su operación normal. En países como el nuesro en el que la comercialización de urbinas y generadores elécricos es escasa y que muchas de las ocasiones son equipos de imporación, el esquema moor bomba en senido inverso es una opción que pudiera conribuir a incenivar el aprovechamieno de los recursos hidráulicos de bajo caudal. BIBLIOGRAFÍA Pumps as Turbines a User s Guide, Arhur Williams. Second Ediion Moors as Generaors for Micro-ydro Power, igel Smih Energy Efficien Moor Sysem: A andbook on Technology, Program, and Policy Opporuniies, Seven adel, R. eal Ellio Micro ydro Design Manual, A guide o a smallscale waer power schemes, Adam arvey, Andy Brown, eiarachi, Allen Inversin. BIOGRAFÍAS Dr. Armando Llamas Terrés. Docor en Ingeniería Elécrica de Virginia Tech, Esados Unidos. Maesro en Ingeniería con especialidad en Ingeniería Elécrica e ingeniero elecricisa del Tec de Monerrey, Campus Monerrey. Profesor en el Campus Monerrey del Tecnológico desde Acualmene es responsable la Cáedra de Invesigación de Energía, Modernización del Secor Energéicos en México: un enfoque sosenible y direcor del Cenro de Esudios de Energía. Miembro senior del IEEE y miembro vialicio de la AEE. Ing. Juan José Flores Cruz. Maesro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Energéica (Insiuo Tecnológico y de Esudios Superiores de Monerrey 00 a 004) Ingeniero Mecánico Elecricisa (Universidad Auónoma de uevo León). Acualmene labora para la Insiución Servicios de Agua y Drenaje de Monerrey, I. P. D. como Coordinador del Programa de Ahorro de Energía. Dr. Belzahe Treviño Arjona Graduado de Ingeniero Bioquímico del ITESM Campus Guaymas en 1985, Maesría en Ciencias Alimenarias del ITESM Campus Guaymas en 1987, Docorado en Ingeniería uímica de la Universidad de Rhode Island en 1993 y Posdocorado en Ingeniería uímica en la Universidad de Rhode Island en Experiencia en docencia como profesor en: Deparameno de Ciencias Alimenarias del ITESM Campus Guaymas, Deparameno de uímica Universidad de Rhode Island y acualmene profesor iular en el Deparameno de Ingeniería uímica del ITESM Campus Monerrey. Premio a la labor docene 1995 y 000. en el ITESM Campus Monerrey, Premio Romulo Garza en Invesigación y Exensión del Sisema ITESM en Direcor del Cenro de Tecnología Limpia de , Direcor del Cenro de Esudios del Agua de 003 a la fecha. Responsable la Cáedra de Invesigación del Agua. Ing. José Ignacio Luján Figueroa es Maesro en Ingeniería con especialidad en Sisemas de Conrol Ambienal e Ingeniero Civil Ambos del ITESM. Fue Direcor de la carrera de Ingeniero Civil del Campus Monerrey del ITESM de 1987 a 1994 y profesor del Deparameno de Ingeniería Civil desde a asesorado 38 esis y colaborado en casi cien proyecos en las áreas de procesos biológicos en el raamieno de aguas, procesos fisico-químicos, laboraorio de conrol de conaminación, diseño de planas de raamieno de aguas residuales, desechos peligrosos, ingeniería de sisemas ambienales y modelos de calidad del agua. Perenece a la Asociación de ingenieros civiles ex-a-ec y es Associaed Member del Waer Environmenal Federaion. Orden Alejo Zuluoga E. Primera clase de la Universidad de Carabobo en Valencia, Venezuela. Ing. José Luis López Salinas es Maesro en Ciencias con especialidad en Ingeniería uímica en el ITESM en 1993, Ingeniero uímico de la UAL en 1989 y, Acualmene es profesor de plana del Deparameno de Ingeniería Mecánica en el ITESM, profesor adscrio al Deparameno de Ingeniería uímica, esá adscrio al Cenro de Esudios de Energía y al Cenro de Energía Solar, es miembro del IMI. Impare cursos en licenciaura en áreas de Termodinámica, Mecánica de fluidos, Compuación en Ingeniería, Refrigeración, Termodinámica uímica, Transferencia de calor, Transferencia de Energía. Es coordinador del laboraorio de Termofluidos, ambién de realiza consulorías, asesorías y pruebas de propiedades físicas y de ranspore, en el área de energía a diversas empresas, así mismo impare diplomados relacionados con energía y simulación, en los cenros anes mencionados, así como a nivel sisema. Perenece al comié académico del CEEVAL. 6