UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA-SEDE QUITO FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA-SEDE QUITO FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA EL DIMENSIONAMIENTO E IMPLEMENTACIÓN DE UN GENERADOR Y SUBESTACIÓN ELEVADORA PARA LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SIGCHOS. TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIERO ELÉCTRICO AUTOR MIGUEL ÁNGEL SALAZAR MÁRQUEZ DIRECTOR ING. PATRICIO BURBANO DE LARA P. QUITO, NOVIEMBRE DEL I

2 CERTIFICACIÓN Luego de revisar la tesis del Señor Miguel Angel Salazar Marquez, con el tema, ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA EL DIMENSIONAMIENTO E IMPLEMENTACIÓN DE UN GENERADOR Y SUBESTACIÓN ELEVADORA PARA LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SIGCHOS. Certifico que se ha dirigido su elaboración y ha sido culminada satisfactoriamente cumpliendo las disposiciones emitidas por la Universidad Politécnica Salesiana. Atentamente, Ing. Patricio Burbano de Lara P. - II -

3 AUTORÍA Yo Miguel Ángel Salazar Márquez, doy fe que soy el único autor del presente documento, por lo tanto me responsabilizo del contenido del mismo. Quito, noviembre del 2007 Miguel Salazar Márquez - III -

4 DEDICATORIA Este trabajo va dedicado a mis queridos padres. - IV -

5 AGRADECIMIENTO A todos los profesionales que de una u otra manera aportaron con este trabajo, a la compañía CAMERI C.A. y de manera muy especial al Ing. Patricio Burbano de Lara que como director y guía aportó con sus invaluables consejos y experiencia que dan como resultado la terminación de este trabajo. - V -

6 ÍNDICE GENERAL AUTORÍA III DEDICATORIA IV AGRADECIMIENTO V ÍNDICE GENERAL VI ÍNDICE DE CONTENIDO VII ÍNDICE DE CUADROS VIII ÍNDICE DE FIGURAS IX ÍNDICE DE TABLAS X PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA XI RESUMEN EJECUTIVO XX - VI -

7 ÍNDICE DE CONTENIDO CAPITULO I 1 1 INTRODUCCIÓN SITUACIÓN DEL SECTOR ELÉCTRICO NACIONAL ANTECEDENTES CONSUMIDORES GENERACIÓN Potencia nominal Potencia efectiva Proyectos de generación particulares en operación y en proceso de construcción Proyectos de generación estatales en operación y en proceso de construcción Interconexiones con Colombia y Perú PERSPECTIVAS HACIA EL FUTURO DEL MERCADO ELÉCTRICO MAYORISTA COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA BALANCE DE POTENCIA Y ENERGÍA GENERACIÓN HIDROELÉCTRICA CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS POR SU POTENCIA Grandes centrales Medianas centrales Pequeñas centrales Minicentrales Microcentrales POR EL SALTO DE AGUA Centrales de alta presión Centrales de media presión Centrales de baja presión POR SU APORTE AL SISTEMA DE POTENCIA Centrales de base Centrales de punta Central de reserva Centrales de bombeo - generación SEGÚN LA DISPOSICIÓN DE LAS INSTALACIONES PARA SU APROVECHAMIENTO DEL AGUA Mediante embalse o represa En el cauce del mismo río Mediante azud y canal de toma de agua ELEMENTOS CARACTERÍSTICOS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA OBRAS DE CAPTACIÓN Tipos de represas Gravedad VII -

8 Contrafuerte Arco-Bóveda Tierra o Escollera EMBALSE O RESERVORIO CONDUCTOS DE AGUA Túnel de conducción Tanque de carga Tubería de presión CASA DE MÁQUINAS CANAL DE DESCARGA SUBESTACIÓN DE ELEVACIÓN VENTAJAS COMPARATIVAS DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS VERSUS LAS CENTRALES DE GENERACIÓN TÉRMICA VENTAJAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA DESVENTAJAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA VENTAJAS DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA DESVENTAJAS DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA. 33 CAPITULO II 34 PROYECTO SIGCHOS DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA HIDROLOGÍA, SEDIMENTOLOGÍA, GEOLOGÍA Y SISMOLOGÍA CUENCA DE LOS RIOS TOACHI- BLANCO CARACTERÍSTICAS FÍSICAS CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS EN EL SITIO DEL PROYECTO PRECIPITACIÓN MEDIA DE LA CUENCA (HASTA EL SITIO DE LA CAPTACIÓN) CAUDALES DEL RÍO TOACHI REGISTROS DISPONIBLES CAUDALES MEDIOS, DIARIOS Y MENSUALES CAUDALES MEDIOS MENSUALES CAUDALES MÍNIMOS PARA LA GENERACIÓN CAUDALES DE CRECIDA SEDIMENTOLOGÍA TRANSPORTE DE SEDIMENTOS GEOLOGÍA GEOLOGÍA GENERAL GEOLOGÍA EN LOS SITIOS DE LAS OBRAS Captación Túnel de carga Tanque de carga Tubería de presión Casa de máquinas SISMOLOGÍA Y RIESGO VOLCÁNICO SISMOLOGÍA RIESGO VOLCÁNICO VIII -

9 2.7 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN A SER UTILIZADOS EN LAS OBRAS CIVILES. 43 CAPITULO III 44 3 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS OBRAS CIVILES UBICACIÓN CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DEL PROYECTO CAPTACIÓN o TOMA Caudales de diseño para la central hidroeléctrica Obras de cierre del cauce del río Obras de toma Limpieza de sedimentos en la captación TÚNEL DE CONDUCCIÓN Características topográficas del área y geometría del túnel Sección básica de excavación TANQUE DE CARGA O PRESIÓN Componentes del tanque de presión Estanque principal Embocadura Canal bypass Vertedero de excesos y canal recolector TUBERÍA DE PRESIÓN Niveles de operación de la central Estructura de entrada Geometría y características de la tubería de presión Pérdidas hidráulicas y caída neta CASA DE MÁQUINAS DESCARGA CAMINOS DE ACCESO. 61 CAPITULO IV 62 4 SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO PRINCIPAL (TURBINA - GENERADOR) GENERALIDADES CONDICIONES AMBIENTALES EN EL SITIO SELECCIÓN DEL NÚMERO DE UNIDADES SELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA VELOCIDAD ESPECÍFICA DISPOSICIÓN DEL EJE Eje horizontal Eje vertical ALTERNATIVA 1: CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL PARA LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SIGCHOS, POTENCIA NOMINAL TOTAL DE LA CENTRAL SIGCHOS POTENCIA POR UNIDAD 69 - IX -

10 4.5.3 VELOCIDAD ESPECIFICA DE LA TURBINA, POR CHORRO [ nsj ] VELOCIDAD SINCRÓNICA APROXIMADA [ n ] CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE EMBALAMIENTO [nf ] CÁLCULO DE EL NÚMERO DE POLOS DEL GENERADOR [ p ] CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL RODETE PELTON Coeficiente de velocidad periférica [ ku ] Diámetro del chorro [ Dj ] Diámetro del rodete [ D2 ] Relación [ Dj/D2 ] Diámetro exterior del rodete [D3] Dimensiones del las cucharas del rodete Ancho de la cuchara [ H1 ] en metros Largo de la cuchara [ H2 ] en metros Altura [ Hs ] en metros ALTERNATIVA 2: CALCULO REALIZADO POR LA EMPRESA CONSULTORA TRIOLO S.A POTENCIA DE LA CENTRAL POTENCIA POR CADA UNIDAD DE GENERACIÓN VELOCIDAD ESPECÍFICA POR CHORRO [ nsj] VELOCIDAD ESPECÍFICA TENTATIVA O APROXIMADA DE LA TURBINA [ ns] VELOCIDAD DE GIRO TENTATIVA O APROXIMADA [ n] CÁLCULO DE LA VELOCIDAD ESPECÍFICA REAL [ns] VELOCIDAD ESPECÍFICA POR CHORRO [nsj] Parámetros del Rodete Pelton Coeficiente de velocidad periférica Diámetro del Inyector / Diámetro medio del rodete [Dj/D2] Diámetro medio del rodete [D2] Diámetro del inyector [Dj] Diámetro exterior del rodete [D3] Dimensiones del las cucharas Ancho de la cuchara [ H1 ] Largo de la cuchara [ H2 ] Altura [ Hs ] ALTERNATIVA 3: Cálculo de las características físicas del rodete Pelton según el documento CONTROLES DE CALIDAD DE LA FABRICACIÓN DE UN RODETE PELTON Tesis del Ingeniero Mecánico. Autor HARRY MURRAY. (Lima Perú) año CALCULO DE LA VELOCIDAD SINCRÓNICA [n] VELOCIDAD DEL CHORRO DE AGUA A LA SALIDA DE LA TOBERA VELOCIDAD TANGENCIAL [U] CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS PRINCIPALES Diámetro del chorro [Dj] Velocidad específica [ns] Velocidad de embalamiento [nf] Forma y dimensiones de las paletas o cucharas del rodete Diámetro Pelton Diámetro exterior del rodete [De] Número de paletas del rodete X -

11 Relación de las paletas CUADRO RESUMEN COMPARATIVO DE LOS PARÁMETROS CALCULADOS POR LA TURBINA DEL PROYECTO SIGCHOS MATERIAL DE LA RUEDA PELTON GENERADOR SINCRÓNICO GENERALIDADES DISEÑO DE UN GENERADOR SELECCIÓN DE UN GENERADOR SINCRÓNICO CALCULO DE LA POTENCIA DEL GENERADOR DIMENSIONAMIENTO Y PESO DEL GENERADOR SELECCIÓN DEL VOLTAJE NOMINAL DE GENERACIÓN SERVICIOS AUXILIARES CARACTERÍSTICAS DEL ESQUEMA DE SERVICIOS AUXILIARES ESTIMACIÓN DE CARGAS Y DEMANDA PARA SERVICIOS AUXILIARES DIMENSIONES DE LA CASA DE MÁQUINAS. 95 CAPITULO V 97 5 ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS DE LA CENTRAL Y SUBESTACIÓN ELEVADORA CASA DE MÁQUINAS TURBINAS Válvulas esféricas Reguladores de velocidad GENERADORES Interruptor de máquina Excitatriz Transformador de puesta a tierra CABLES AISLADOS PRINCIPALES DE 13.2kV BANCO DE BATERÍAS Y CARGADOR TABLERO DE MEDICIÓN, CONTROL Y PROTECCIÓN MEDICIÓN CONTROL PROTECCIÓN TRANSFORMADORES DE SERVICIOS AUXILIARES PUENTE GRÚA EQUIPO CONTRA INCENDIOS EQUIPAMIENTO DE LA SUBESTACIÓN GENERALIDADES Primera alternativa Segunda alternativa EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LOS TRANSFORMADORES TRANSFORMADORES ELEVADORES Lado de media tensión 13.2kv INTERRUPTORES 69 KV SECCIONADORES 69 KV PARARRAYOS 69 KV XI -

12 5.2.6 TRANSFORMADORES DE CORRIENTE 69 kv TRANSFORMADORES DE TENSIÓN 69 kv GRUPO DIESEL DE EMERGENCIA CONDICIONES DE DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO CONDUCTORES Conductores de media tensión Conductores desnudos MISCELÁNEOS Iluminación interior Iluminación exterior Malla de puesta a tierra BOCATOMA TRANSFORMADOR DE SERVICIOS AUXILIARES BOCATOMA. 121 CAPITULO VI PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Y ESTUDIOS FINANCIEROS DEL PROYECTO HIDROELÉCTRICO SIGCHOS ENERGÍA FIRME ENERGÍA MEDIA ENERGÍA SECUNDARIA POTENCIA GARANTIZADA POTENCIA REMUNERABLE Y PUESTA A DISPOSICIÓN PRODUCCIÓN DE ENERGÍA DEL PROYECTO ESTUDIO FINANCIERO INVERSIONES PERÍODO DE ANÁLISIS: COSTOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Costos Fijos Anuales Costos Variables Anuales Criterio para la Evaluación de los Costos de Operación y Mantenimiento ÍNDICES DE FACTIBILIDAD DEL PROYECTO COSTO TOTAL DE LA INVERSIÓN COSTO DEL KILOVATIO INSTALADO, COSTO DEL KILOVATIO HORA. (kwh) VENTA DE ENERGÍA EVALUACIÓN FINANCIERA TASA INTERNA DE RETORNO. (TIR) VALOR ACTUAL NETO, (VAN) PERÍODO DE RECUPERACIÓN DE CAPITAL. (PRC) RELACIÓN BENEFICIO/COSTO. (R B/C) 139 CONCLUSIONES RECOMENDACIONES XII -

13 ÍNDICE DE CUADROS Cuadro Nº 1 Resumen Estadísticas del Sector Eléctrico Ecuatoriano. 2 Cuadro Nº 2 Potencia instalada nominal al año Cuadro Nº 3 Centrales de generación no conectadas al S.N.I. 5 Cuadro Nº 4 Total de Generación instalada. 6 Cuadro Nº 5 Transacción de Energía con Colombia 9 Cuadro Nº 6 Nuevos proyectos hidroeléctricos 11 Cuadro Nº 7 Proyección de la demanda de potencia y energía en bornes de generación 12 Cuadro Nº 8 Balance de Potencia Activa Máxima 13 Cuadro Nº 9 Proyectos hidroeléctricos considerados para la modelación Super 14 Cuadro Nº 10 Proyectos Termoeléctricos considerados para la modelación Super 15 Cuadro Nº 11 Cuadro resumen de las centrales de generación según su POTENCIA 18 Cuadro Nº 12 Cuadro resumen de las centrales de generación según su SALTO 19 Cuadro Nº 13 Caudales medios mensuales (m 3 /seg) 38 Cuadro Nº 14 Caudales mínimos mensuales (m 3 /seg) 39 Cuadro Nº 15 Niveles de operación de la central. 58 Cuadro Nº 16 Resumen de características físicas de Turbina Pelton 86 Cuadro Nº 17 Comparación de las normas internacionales para el acero inoxidable [Cr Ni 13 4] 87 - XIII

14 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Nº 1 Resumen Estadística del Sector Eléctrico Ecuatoriano. 3 Figura Nº 2 Tipo de Generación Potencia Nominal [MW] 4 Figura Nº 3 de Generación Potencia Efectiva [MW] 5 Figura Nº 4 Porcentaje de Generación No conectados al SNI 6 Figura Nº 5 Perfil de las represas Mazar y Amaluza 8 Figura Nº 6 Tasa de crecimiento anual de la energia 12 Figura Nº 7 Componentes Principales de una Central Hidroeléctrica 16 Figura Nº 8 Esquema de una central hidroeléctrica 17 Figura Nº 9 Represa tipo Gravedad 23 Figura Nº 10 Represa tipo Contrafuerte 24 Figura Nº 11 Represa tipo Arco 24 Figura Nº 12 Presa arco bóveda con contrafuertes 25 Figura Nº 13 Tipo tierra o escollera 25 Figura Nº 14 Curvas de Duración General 36 Figura Nº 15 Caudales Medios, Mínimos y Máximos Mensuales 37 Figura Nº 16 Caudales medios mensuales y caudal de diseño. 38 Figura Nº 17 Caudales mínimos mensuales y el caudal de diseño por cada turbina. 39 Figura Nº 18 Obras de captación 46 Figura Nº 19 Obras de cierre del Rió Toachi 47 Figura Nº 20 Ruta de túnel de conducción 52 Figura Nº 21 Sección del Túnel. 53 Figura Nº 22 Túnel tanque de carga y desvío de excesos 54 Figura Nº 23 Tanque de Presión 55 Figura Nº 24 Casa de Maquinas, Canal de descarga 60 Figura Nº 25 Selección del tipo de Turbinas 65 Figura Nº 26 Grupo Turbina - Generador Pelton de 2 Inyectores 67 Figura Nº 27 Turbina tipo Pelton Eje Vertical seis Inyectores (Vista Superior) 68 Figura Nº 28 Velocidad Específica VS Salto de diseño y por número de inyectores.70 Figura Nº 29 Diámetros D2 y D3 Rodete Pelton 74 Figura Nº 30 Dimensiones de la cuchara Pelton 75 Figura Nº 31 Altura de Hs. 76 Figura Nº 32 Relación de las paletas 85 Figura Nº 33 Campos magnéticos de un generador sincrónico 88 Figura Nº 34 Subestación con un solo transformador y barra no seccionada. 109 Figura Nº 35 Subestación con dos transformadores y barra seccionada XIV -

15 ÍNDICE DE TABLAS Tabla N 1 Caudales de Crecida 40 Tabla Nº 2 Características principales del túnel. 53 Tabla Nº 3 Condiciones Ambientales Proyecto Sigchos. 62 Tabla Nº 4 Tipo de turbinas en función de la velocidad especifica 66 Tabla Nº 5 Equipo mínimo a utilizar en los servicios auxiliares. 94 Tabla Nº 6 Datos técnicos de la Turbina. 97 Tabla Nº 7 Características técnicas de las válvulas esféricas 98 Tabla Nº 8 Datos técnicos de los generadores. 99 Tabla Nº 9 Características del interruptor de máquina 100 Tabla Nº 10 Características del Regulador. 100 Tabla Nº 11 Características del Transformador de puesta a Tierra. 101 Tabla Nº 12 Características de los conductores aislados 102 Tabla Nº 13 Características del Cargador y Banco de baterías. 103 Tabla Nº 14 Equipos de Medida. 104 Tabla Nº 15 Protecciones mínimas a utilizar. 105 Tabla Nº 16 Datos técnicos de los transformadores de servicios auxiliares Casa de Maquinas. 106 Tabla Nº 17 Características del puente grúa. 107 Tabla Nº 18 Precios de los transformadores de potencia. 112 Tabla Nº 19 Datos técnicos de los Transformadores de Potencia. 113 Tabla Nº 20 Datos técnicos de los interruptores. 114 Tabla Nº 21 Datos técnicos de los seccionadores. 115 Tabla Nº 22 Datos técnicos de los pararrayos. 116 Tabla Nº 23 Características de los Transformadores de Corriente. 117 Tabla Nº 24 datos técnicos de los Transformadores de Potencial 118 Tabla Nº 25 Características de la malla de puesta a tierra. 121 Tabla Nº 26 Datos técnicos de los Transformador de SS.AA. de la Bocatoma. 122 Tabla Nº 27 Producción de energía firme anual 124 Tabla Nº 28 Producción de energía media anual 125 Tabla Nº 29 Costo Total de la construcción del proyecto hidroeléctrico 128 Tabla Nº 30 Costo Total de Op y Mto Según Coca Codo Sinclair. 131 Tabla Nº 31 Costo Total de Operación y Mantenimiento 132 Tabla Nº 32 Tasa interna de retorno 136 Tabla Nº 33 Valor Actual Neto. 138 Tabla Nº 34 Período de recuperación de capital XV -

16 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Con base a los estudios hidrológicos, sobre el aprovechamiento del cauce del río Toachi se plantea la factibilidad de realizar el proyecto hidroeléctrico denominado Sigchos, el mismo que está ubicado en la provincia del Cotopaxi cercana a la población del mismo nombre. Para el funcionamiento de la central hidroeléctrica Sigchos deberá ser equipada básicamente con unidades turbina generador, conectadas a transformadores elevadores para la entrega de la energía eléctrica generada. TEMA Estudio de factibilidad para el dimensionamiento e implementación del generador y subestación elevadora para la central hidroeléctrica Sigchos. JUSTIFICACIÓN De acuerdo al potencial de las aguas y la morfología del Río Toachi, los estudios hidrológicos indican que el máximo aprovechamiento para la generación hidroeléctrica, será de 17 MVA de potencia instalada máxima. Es importante la utilización de los recursos hídricos para disponer de energía eléctrica mas económica, y reemplazar la energía térmica cara, y que contamina y produce modificaciones al ecosistema, además el incrementar el potencial de generación del país Esta central de generación podrá ser conectada mediante una línea de subtrasmisión a la Subestación Sigchos de la Empresa Eléctrica Provincial de Cotopaxi, ELEPCO, integrada al Sistema Nacional Interconectado. ALCANCE Presentación de datos existentes tales como: - XVI -

17 o Estudios hidrológicos del cauce Rió Toachi. o Estudios existentes de la obra civil y Casa de maquinas. Estudio de factibilidad para el dimensionamiento, del generador para la central Hidroeléctrica Sigchos. Estudio de factibilidad para el dimensionamiento, del transformador para la central Hidroeléctrica Sigchos. Especificaciones y estudio de costos para los equipos, Generador, Transformador y Equipamiento Auxiliares. Análisis del costo aproximado del kilovatio instalado, kilovatio hora y factibilidad de inversión. OBJETIVOS GENERALES Elaborar el estudio de factibilidad para el dimensionamiento e implementación del generador y subestación elevadora para la central hidroeléctrica Sigchos. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar el dimensionamiento, y especificaciones del generador. Realizar el dimensionamiento y especificaciones de la estación elevadora Elaborar un estudio de costos para el equipamiento electromecánico de la Central Hidroeléctrica. Elaborar y presentar un análisis del costo aproximado del kilovatio instalado, y kilovatio hora de energía. HIPÓTESIS Con el presente trabajo se podrá establecer la conveniencia o no de la construcción de la Central Hidroeléctrica Sigchos. Con el dimensionamiento, especificaciones del generador y la estación elevadora se podrá cumplir con las características técnicas para el mejor aprovechamiento para la central hidroeléctrica. - XVII -

18 METODOLOGÍA Método deductivo. Se tomarán normas generales, las cuales enmarcarán las características principales del equipamiento basadas en las normas ANSI, ASTM, ASME, DIN, IEEE, IEC y NEMA, especificas para el proyecto. PLAN DEL PROYECTO CAPITULACIÓN CAP I INTRODUCCIÓN GENERALIDADES Ubicación. Aprovechamiento Hidrológico Acceso al sitio. Interconexión con una subestación, CAP II ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA CENTRAL DE GENERACIÓN HIDROELÉCTRICA Bocatoma. Tubería de presión. Casa de maquinas. Estación elevadora CAP III DIMENSIONAMIENTO, ESPECIFICACIONES Y PRESUPUESTO DEL GENERADOR. Dimensionamiento del generador Especificaciones del generador Presupuesto del generador CAP IV DIMENSIONAMIENTO, ESPECIFICACIONES Y PRESUPUESTO DE LA ESTACIÓN ELEVADORA. Dimensionamiento de la estación elevadora - XVIII -

19 Especificaciones de la estación elevadora Presupuesto de la estación elevadora CAP V FACTIBILIDAD DE INVERSIÓN, COSTO DEL KILOVATIO INSTALADO Y KILOVATIO HORA DE ENERGÍA. Factibilidad de la inversión. Costo del kilovatio hora Costo del kilovatio hora de energía CAP VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ANEXOS Planos de: Ubicación general. Disposición de equipos, planta y cortes Casa de maquinas. Subestación. Diagramas Eléctricos: Unifilar de básico del equipamiento, Principal y Servicios Auxiliares. Esquemático de protecciones control y medición para generación y estación elevadora CRONOGRAMA DESARROLLO DEL PROYECTO RECOPILACION DE INFORMACIO DESARROLLO DEL CAP I DESARROLLO DEL CAP II DESARROLLO DEL CAP III DESARROLLO DEL CAP IV DESARROLLO DEL CAP V DESARROLLO DEL CAP VI Y ANEXOS ENTREGA DE AVANCES CORRECION DE AVANCES ENTREGA DE TESIS DEFENSA DE TESIS MES 1 MES 2 MES 3 MES 4 MES 5 MES 6 MES 7 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X MES 8 X X X X X X X MES 9 X - XIX -

20 RESUMEN EJECUTIVO El proyecto Estudio de factibilidad para el dimensionamiento e implementación de un generador y subestación elevadora para la central hidroeléctrica Sigchos pretende conocer viabilidad de la misma. Con este trabajo se pretende incentivar la inversión nacional y extranjera hacia un campo totalmente en desarrollo en nuestro país como el de la generación hidroeléctrica. El diseño y construcción de una central hidroeléctrica es un trabajo delicado y complejo en el que intervienen varias especialidades tales como: ingeniería civil, hidráulica, mecánica, eléctrica, electrónica, ambiental, geología y economía entre otras. Este trabajo esta encaminado a la selección y dimensionamiento de equipos de una central hidroeléctrica, teniendo como información inicial el caudal del río en estudio y datos referenciales del lugar de aplicación de este trabajo. El capitulo I es un breve análisis del sector eléctrico ecuatoriano y un detalle de tipos y características de las centrales hidroeléctricas. En el capitulo II se realiza la descripción general de la hidrológica sedimentología y sismología del lugar en donde operará la central Sigchos. En el capitulo III se realiza una descripción general de las obras civiles del proyecto. En el capitulo IV se efectúa el dimensionamiento y selección del equipo principal turbina-generador - XX -

21 El capitulo V cubre la especificación de los equipos de la central y la estación elevadora. En el capitulo VI se hace la evaluación económica y la producción de energía del proyecto Sigchos. Finalmente el estudio presenta las conclusiones y recomendaciones para la ejecución de este proyecto. Espero que este trabajo cumpla con el interés de todos y cada uno de los lectores para desarrollar proyectos energéticos provenientes de recursos renovables. - XXI -

22 CAPITULO I 1 INTRODUCCIÓN. La generación de energía eléctrica es una de las principales fuentes de desarrollo y de mejoramiento de la calidad de vida del hombre actual, ya que gracias a ella, hoy en día es posible llevar a cabo un sinnúmero de actividades que contribuyen al crecimiento integral de la sociedad, desde el punto de vista doméstico, empresarial, industrial, cultural, científico y tecnológico. Por esta razón, la energía eléctrica se ha convertido en uno de los requerimientos de servicios de mayor demanda e importancia en el mundo. 1.1 SITUACIÓN DEL SECTOR ELÉCTRICO NACIONAL ANTECEDENTES. Nuestro país cuenta con un potencial hidroeléctrico muy importante en espera de ser aprovechado por inversionistas nacionales o extranjeros para satisfacer la demanda del mercado nacional y también del mercado extranjero con venta de potencia y energía como sucede en otras naciones. Según estudios del CONELEC, referentes a los proyectos hidroeléctricos futuros a ser explotados en el Ecuador, mismos que se encuentran en varias etapas de prefactibilidad, factibilidad, estudio definitivo, construcción etc., la potencia nominal aproximada es de 6.211MW nominal, (Cuadro 9) frente a 1.784MW nominal, (cuadro 2) que se encuentran instalados en la actualidad. Haciendo una comparación porcentual, al momento en el Ecuador está explotado el 22%, que no representa ni la 4ta parte del aprovechamiento total de los recursos hídricos reconocidos y existentes en el país. 1

23 1.1.2 CONSUMIDORES. Según las Estadísticas del Sector Eléctrico Ecuatoriano Año 2005, elaboradas por el CONELEC en ese año existieron como promedio anual clientes, entre regulados 1 y no regulados 2 y a diciembre 2005 había 96 grandes Consumidores (No regulados). 3 GRUPO CONSUMIDORES [%] Residencial ,00 87,42 Comercial ,00 9,97 Industrial ,00 1,25 Alumbrado publico ,00 0,01 Otros ,00 1,34 TOTAL , Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR CONELEC Cuadro Nº 1 Resumen Estadísticas del Sector Eléctrico Ecuatoriano. En el grafico Nº 1, se presenta los valores porcentuales por tipo de consumidores que existen en nuestro país, siendo el mayor de ellos los consumidores residenciales y en un bajo porcentaje el sector industrial. 1 Consumidores que cancelan sus facturas mediante precios establecidos por tarifas oficiales. 2 Consumidores que tienen contratos directos con empresas de generación o distribución de energía. 3 CONELEC, Plan de electrificación del Ecuador p10 2

24 ESTADISTICA DEL SECTOR ELECTRICO ECUATORIANO Alumbrado Publico; 0,01 Industrial; 1,25 Otros; 1,34 Comercial; 9,97 Residencial Comercial Industrial Alumbrado Publico Otros Residencial; 87,42 Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR CONELEC Figura Nº 1 Resumen Estadística del Sector Eléctrico Ecuatoriano GENERACIÓN Potencia nominal. Es el valor a plena carga de la unidad o planta de generación bajo las condiciones especificadas según diseño del fabricante, expresado en KW. o MW. Dicha capacidad esta indicada en la placa de características técnicas vinculada al equipo respectivo de generación Potencia efectiva. Es la potencia máxima que se pude obtener de una unidad generadora bajo condiciones normales de operación, se expresa en kw o también en MW. Teniendo en cuenta los conceptos arriba anotados se detallan los siguientes cuadros y figuras referentes a: Cuadro resumen de la potencia instalada nominal del parque generador disponible en el Sistema Nacional Interconectado, 3

25 Tipo de generación Potencia [MW nominal] Potencia [MW efectiva] Hidroeléctrica Térmica Gas Térmica Gas-Natural Térmica MCI Térmica Vapor TOTAL Fuente: Anexo 2.06 PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR Cuadro Nº 2 Potencia instalada nominal al año 2005 Adicional debe ser tomado en cuenta los 400MW nominales (340 MW efectivos) del posible aporte de interconexiones con los países vecinos de Colombia y Perú hasta diciembre del Tipo de Generacion Potencia Nominal [MW] 5 Termica Vapor 14% 1 Hidroelectrica 52% 4 Termica MCI 12% 3 Termica Gas Natural 4% 2 Termica Gas 18% 1 Hidroelectrica 2 Termica Gas 3 Termica Gas Natural 4 Termica MCI 5 Termica Vapor Fuente: Anexo 2.06 PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR Figura Nº 2 Tipo de Generación Potencia Nominal [MW] 4 Motor de Combustión Interna 4

26 Tipo de Generacion Potencia Efectiva [MW] 5 Termica Vapor 15% 4 Termica MCI 8% 3 Termica Gas Natural 4% 2 Termica Gas 18% 1 Hidroelectrica 55% 1 Hidroelectrica 2 Termica Gas 3 Termica Gas Natural 4 Termica MCI 5 Termica Vapor Fuente: Anexo 2.06 PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR Figura Nº 3 de Generación Potencia Efectiva [MW] Como se puede apreciar en la Figura Nº 3, el 55% de la potencia efectiva que se encuentra conectado al S.N.I.- Sistema Nacional Interconectado, es del tipo Hidroeléctrico, y sus principales aportantes son: Agoyán 156MW, Pucara 74MW, Marcel Laniado 213 MW y Paute 1075 MW. Centrales de generación no conectadas al S.N.I. pertenecientes a empresas distribuidoras y empresas autoproductoras. TIPO DE GENERACIÓN Potencia [MW nominal] [%] Potencia [MW efectiva] Hidroeléctrica Térmica Gas-Natural Térmica MCI TOTAL Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR Cuadro Nº 3 Centrales de generación no conectadas al S.N.I. [%] El cuadro Nº 3 asociado con la figura Nº 4, indican la información de las centrales de auto producción, pero se conoce que existen más unidades de generación particular, especialmente para emergencia, instaladas en compañías petroleras, mineras, fábricas, edificios, etc. 5

27 Tipo de Generacion Potencia Efectiva [MW] 1 Hidroeléctrica 3% 2 Térmica Gas- Natural 15% 1 Hidroeléctrica 2 Térmica Gas-Natural 3 Térmica MCI 3 Térmica MCI 82% Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR Figura Nº 4 Porcentaje de Generación No conectados al SNI En el cuadro Nº 4 se presenta el total de la potencia instalada en el Ecuador. Total de Generación Potencia [MW nominal] Potencia [MW efectiva] Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR Cuadro Nº 4 Total de Generación instalada Proyectos de generación particulares en operación y en proceso de construcción. San Carlos S.A. con su central a vapor de 35 MW, la misma que genera la electricidad por medio del bagazo de caña (biomasa), a fin de aprovechar todo el volumen resultante del proceso de la molienda del ingenio San Carlos. Esta central ya empezó a realizar transacciones en el mercado eléctrico en enero Ecoelectric S.A. con una central a vapor del mismo nombre, que usa principalmente bagazo de caña de azúcar del Ingenio Valdez ; opera desde junio 2005, con 6 MW. 6

28 Lucega Electric, S.A. que a fines del año 2005 fue absorbida por Ecudos S. A., opera una planta a vapor con bagazo de caña, en La Troncal, Cañar, desde julio 2005, con 13 MW y desde julio de 2006 con 29,8 MW. Hidroabanico S.A., con su central hidroeléctrica Abanico I de 15 MW, ubicada cerca de Macas, está aportando al sistema nacional interconectado desde diciembre de Ulysseas Inc., recibió del CONELEC a fines del año 2004 una autorización temporal, para operar la unidad generadora montada sobre la barcaza Power Barge I (30 MW); y, en agosto de 2005 suscribió un contrato de permiso, con lo cual continúa funcionando esta fuente de generación termoeléctrica. Machala Power Cía. Ltda. firmó el contrato de concesión para que construya y opere en tres etapas una central generadora de 312 MW en Bajo Alto provincia de El Oro, usando el gas del Golfo de Guayaquil, concesionado a su compañía matriz, EDC. La primera etapa, de 130 MW, está operando desde el año 2004 y los plazos contractuales para las etapas siguientes son junio 2008 y marzo 2011, respectivamente Proyectos de generación estatales en operación y en proceso de construcción. Hidropastaza S.A. como concesionaria de la central hidroeléctrica San Francisco, que inició su construcción desde febrero del 2004, esta localizada en la parte oriental de la provincia del Tungurahua; la misma que tendrá dos unidades con una potencia total de 212 MW, equivalentes al 12 por ciento de la generación disponible en el país. Realizó pruebas de operación de la unidad # 1 en Diciembre 2006, y se espera que en abril /2007 se realicen pruebas de la unidad #2. Hidropaute S.A., como concesionaria del proyecto hidroeléctrico Paute Mazar, debe instalar la planta de 190MW, en construcción, pero que adicionalmente asegurará la generación en la Central Paute Molino, de 1075 MW. ubicada aguas 7

29 abajo, gracias a la disponibilidad de un reservorio de mayor capacidad que el de la represa Daniel Palacios (410 millones de metros cubicos de agua) El objetivo de Mazar es el de garantizar la suficiente cantidad de agua en su reservorio, y asegurar la vida útil de la Central Hidroeléctrica Paute-Molino. Con la represa Mazar se retendrá buena parte de los sedimentos que actualmente llegan al embalse de esta central. El proyecto se encuentra en construcción y se espera que opere en marzo de Fuente: Figura Nº 5 Perfil de las represas Mazar y Amaluza Considerando que el proyecto Paute a sido concebido en tres etapas en cascada, el gobierno nacional en abril del 2007 otorgó la concesión de la tercera etapa Sopladora de 400 MW. a la empresa Hidropaute, la misma que se construirá aguas debajo de la central Molino Interconexiones con Colombia y Perú. Las interconexiones eléctricas con los países vecinos de Colombia y de Perú, vigentes a la fecha tienen las siguientes particularidades. Ampliación de la capacidad de enlace entre Colombia y Ecuador de 250 MW a 350MW. 8

30 Las tres etapas de la interconexión con el Perú, 86 MW en la etapa radial, 125 MW en la primera fase del back to back y 250 MW en la segunda fase similar a la anterior. Según estudios energéticos de la interconexión Colombia Ecuador Perú, debido al ingreso de proyectos de gran capacidad en el Ecuador con costos de operación relativamente bajos como son: Machala Power (segunda etapa), Termoriente, y los proyectos hidráulicos Mazar y San Francisco, Sopladora, Coca-Jubones, determina una tendencia decreciente de las importaciones de la energía para el Ecuador provenientes de Colombia a partir del año 2006, lo indicado se demuestra en el cuadro Nº 5. TRANSACCIÓN DE ENERGÍA CON COLOMBIA FECHA ENERGÍA (GWH) VALOR (millones de USD) IMPORTACIÓN EXPORTACIÓN IMPORTACIÓN EXPORTACIÓN Total Total Total Total TOTAL HISTORIA Fuente: Diario El Comercio 23/ENE/2007 CENACE Cuadro Nº 5 Transacción de Energía con Colombia La tendencia de compra de energía de Ecuador a Colombia en el 2006, se redujo la importación en un 16%, debido también a que hubo constantes interrupciones en el flujo de la energía por los atentados guerrilleros en el sistema eléctrico colombiano que afectaron a las líneas y torres de transmisión, entre junio y diciembre del Ecuador hasta la presente fecha ha comprado millones de dólares, cantidad de dinero necesaria para construir una planta de generación de 400MW similar al proyecto Chespi 5. Argumenta el ministro de Energía Sr. Ec. Alberto Acosta. La característica relevante del precio de energía que presenta Perú frente al precio de importaciones Ecuador es de complementariedad, siendo las máximas transferencias 5 Fuente Diario el Comercio 27/ENERO/2007 9

31 de energía por el enlace Ecuador - Perú en épocas secas para el Ecuador, y en períodos lluviosos para el Perú. Las exportaciones de energía de Ecuador hacia Perú tenderán a crecer cuando Ecuador haya expandido sus proyectos de generación hidroeléctricos. Al momento el CONELEC tiene discutido con las autoridades del Perú los términos de un contrato de compra-venta de energía, no suscrito todavía según se conoce PERSPECTIVAS HACIA EL FUTURO DEL MERCADO ELÉCTRICO MAYORISTA. La entrada en operación de nuevos proyectos de generación hidroeléctrica como San Francisco, Mazar, Sibimbe, Calope, Sigchos, Sopladora, Coca- Jubones así como la segunda interconexión a 250MW, con Colombia y la puesta en operación de la interconexión radial con el Perú, etapa 1b (190MW) que se encuentra en construcción, se espera reducir el consumo de combustibles para generación térmica y por lo tanto disminuir el precio medio de venta de energía en el mercado. Para analizar y evaluar las diversas posibilidades de la expansión de la generación en el Ecuador, el CONELEC utiliza el modelo Sistema Unificado de Planificación Eléctrica Regional, SUPER desarrollado por la Organización Latinoamericana de Energía, OLADE, con apoyo del Banco Interamericano de Desarrollo, BID. Las primeras corridas del programa se realizaron mediante un convenio con OLADE y el CONAM; y, posteriormente el CONELEC ha continuado estudiando, considerando varios escenarios, especialmente en lo relacionado con la prospectiva de la demanda, precios de combustibles, tasas de descuento y proyectos de generación en construcción y otros en diversas etapas de diseño. Los estudios más recientes, para el período consideran un crecimiento medio de la demanda a precios actuales de combustibles, una tasa de descuento 12% y fechas obligadas de operación de las centrales: Sibimbe, Abanico, Calope, San Francisco y Mazar ; y, del 2do. enlace en 230 kv con Colombia más la operación de la 1ra. Etapa, de la interconexión con Perú. Además, se definen fechas para salida de operación de pequeñas centrales termoeléctricas de las Empresas 10

32 Distribuidoras por razones de costo de la energía, que utilizan diesel en volumen importado. Se consideran como factibles y posibles a casi treinta proyectos hidroeléctricos de mediana y gran potencia, que cuentan con información suficiente sobre hidrología, costos, etc.; entre ellos el proyecto hidroeléctrico Sigchos motivo de esta Tesis así como unos diez proyectos termoeléctricos incluyendo aquellos en trámites de concesión. Los siguientes son los resultados de uno de los casos de optimización estudiados mediante el módulo MODPIN del modelo SUPER, el cual asume que los proyectos anotados entran en funcionamiento en enero de cada año como se detalla en el siguiente cuadro Nº 6. AÑO DE TIPO DE POTENCIA ENERGIA PROYECTO OPERACIÓN PLANTA (MW) (GWh/AÑO) OBSERVACIONES ene-06 H ABANICO Construido INT INTERCONEXION-PE Construido ene-07 T ARENILLAS Modelacion SUPER H SIBIMBE En Construcción H CALOPE En Construcción INT ITERCONEXION-COL En Construcción ene-08 H SAN FRANSICO En Construcción T E. D. COSTA -83 Retiro T E. D. SIERRA -29 Retiro ene-09 H SABANILLA Modelacion SUPER H PILALO Modelacion SUPER H ABANICO Modelacion SUPER ene-10 H SIGCHOS Modelacion SUPER H TIGRILLOS Modelacion SUPER H MAZAR En Construcción ene-11 H COCA CODO Modelacion SUPER ene-12 H DELSI TANISAGUA Modelacion SUPER ene-13 H SOPLADORA Modelacion SUPER ene-15 H COCA CODO Modelacion SUPER ene-16 H CHESPI Modelacion SUPER H RIO LUIS Modelacion SUPER ene-18 H ABITAGUA Modelacion SUPER Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR CONELEC Cuadro Nº 6 Nuevos proyectos hidroeléctricos Como se puede observar al final del Cuadro Nº 6, el Ecuador tiene hasta el año 2018 un plan de crecimiento en generación hidroeléctrica con una capacidad máxima de 2594 MW, al mismo tiempo que la salida definitiva de 112 MW de generación térmica de empresas distribuidoras ubicadas en la costa y sierra. 11

33 1.2 COMPORTAMIENTO DE LA DEMANDA. La evolución del mercado eléctrico ecuatoriano, en lo que a demanda de energía y potencia se refiere, ha mantenido una situación de crecimiento sostenido durante los seis últimos años. A nivel de entrega en barras de subestación los resultados porcentuales son los siguientes: Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR Figura Nº 6 Tasa de crecimiento anual de la energia Según el plan de electrificación del Ecuador, en la proyección de la demanda se mantienen tres escenarios: Menor Medio y Mayor en función del crecimiento del producto interno bruto, las metas del nivel de precios y cobertura del servicio eléctrico que se desee alcanzar lo que se explica en el cuadro Nº 7. PROYECCION DE LA DEMANDA DE POTENCIA Y ENERGIA EN BORNES DE GENERADOR A NIVEL NACIONAL AÑO MENOR MEDIO MAYOR MENOR MEDIO MAYOR ,585 2,622 2,651 14,444 14,606 17, ,715 2,772 2,827 15,217 15,527 15, ,821 2,900 2,978 15,881 16,334 16, ,925 3,028 3,132 16,538 17,154 17, ,029 3,160 3,293 17,193 17,992 18, ,147 3,310 3,476 17,933 18,935 20, ,255 3,450 3,652 18,610 19,826 21, ,364 3,596 3,837 19,300 20,750 22, ,477 3,749 4,033 20,008 21,710 23, ,602 3,916 4,248 20,778 22,760 24,880 CRESIMIENTO DEMANDA DE POTENCIA (MW) DEMANDA DE ENERGIA (MW) 3.80% 4.60% 5.40% 4.10% 5.10% 6.00% Fuente: PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR CONELEC Cuadro Nº 7 Proyección de la demanda de potencia y energía en bornes de generación 12

34 1.3 BALANCE DE POTENCIA Y ENERGÍA. El balance entre oferta de potencia y demanda máxima, para cada uno de los años del período de análisis, se presenta a continuación en el cuadro Nº 8. AÑO BALANCE DE POTENCIA ACTIVA MÁXIMA (MW) A NIVEL NACIONAL DISPONIBILIDAD DE GENERACIÓN Oferta 2005 Hidro. Efec. Termo. Efec. Interco nax Potencia Adicional OFERTA TOTAL EFEC CRECIMIENTO DE LA DEMANDA MENOR MEDIO MAYOR Exc (+) Exc (+) Exc (+) Demanda Demanda Demanda Def(-) Def(-) Def(-) 2, ,706 2,586 39% 2,621 38% 2,649 37% 2, ,220 2,716 52% 2,772 49% 2,825 46% 2, ,350 2,822 46% 2,899 42% 2,976 39% 2,009 1,432 4,866 2,926 56% 3,028 50% 3,131 45% 2,010 1,432 4,866 3,030 60% 3,159 53% 3,290 46% 2,011 1,746 1, ,519 4,953 3,148 62% 3,308 53% 3,473 46% 2,012 1,519 4,953 3,255 61% 3,449 51% 3,649 42% 2,013 1,519 4,953 3,365 55% 3,594 45% 3,833 35% 2,014 1,519 4,953 3,477 51% 3,746 39% 4,028 29% 2,015 1,519 4,953 3,608 46% 3,913 34% 4,243 23% Fuente: Anexo 5.15 PLAN DE ELECTRIFICACIÓN DEL ECUADOR CONELEC Cuadro Nº 8 Balance de Potencia Activa Máxima Considerando que, si entran en operación en las fechas previstas las nuevas centrales generadoras y, se mantienen en el mercado las que están disponibles, se contaría durante todo el período, con reservas de potencia superiores a la unidad más grande del sistema (133 MW) y equivalente al 10% del total. Se puede concluir que el problema del sistema eléctrico ecuatoriano, no es de potencia sino de energía, especialmente en los períodos de estiaje de los ríos de la vertiente oriental o Amazónica (Octubre - Marzo), pues de ella depende la mayor producción hidroeléctrica, se espera y conviene la entrada en operación de centrales que operen con ríos de la vertiente occidental como son los proyectos Toachi Pilatón, ubicado en el cantón Sto. Domingo de los Colorados Provincia del Pichincha; el proyecto Sigchos, en el cantón, Sigchos provincia del Cotopaxi, el proyecto Baba ubicado en Corriente Larga entre las provincias de Pichincha y Los Rios; los proyectos Chespi y Villadora con el aprovechamiento de las aguas del rio Guayllabamba entre otros. 13

35 Sin embargo, puede presentarse un déficit de potencia durante períodos que normalmente se esperan altos caudales en las centrales hidroeléctricas en operación, las salidas de las unidades termoeléctrica e hidroeléctricas por mantenimientos programados anuales, restricciones en las interconexiones internacionales, lo que significa brindar más apoyo tanto del gobierno como del sector privado a la implementación de diversos proyectos de generación tanto hidroeléctricos como termoeléctricos. De allí la razón justificativa de la presente tesis relativa al proyecto Sigchos. PROYECTOS HIDROELECTRICOS DEL ECUADOR CONSIDERADOS EN LA MODELACION CON SUPER NOMBRE CAPACIDAD NOMINAL (MW) RIO COSTO DE INVERSION (MN USD) SAN FRANCISCO Paztaza 244 MAZAR Paute 300 SIBIMBE 15.8 Sibimbe 22 ABANICO 15.0 Abanico 158 CALOPE 15.0 Calope 18 ABITAGUA Pastaza 215 SOPLADORA Paute 316 CHESPI Guallabamba 177 VILLADORA Guallabamba 589 APAQUI 44.0 Apaqui 62 TOACHI PILATON Pilatón-Toachi 224 ANGAMARCA SINDE 29.0 Angamarca-Sinde 49 GUALAQUIZA Zamora 892 SAN MIGUEL Zamora 613 QUIJOS 50.0 Papallacta-Quijos 74 SABANILLA 30.0 Sabanilla 40 MINAS Jubones 421 RIO LUIS 15.5 Luis 27 TIGRILLOS 19.6 Abanico 64 TOPO 22.8 Topo 36 OCANA 26.0 Ocaña 47 SIGCHOS 18.0 Toachi 21 PILALO Pilalo 13 JONDACHI 12.0 Jondachi 19 ABANICO Abanico 18 CALUMA BAJO 12.0 La playa-escaleras 18 DELSI-TANISAGUA Zamora 104 CODO CODO Coca 987 CODO SINCLAIR Coca 472 CODO SINCLAIR Coca 275 Fuente: Anexo 5.20 Plan de electrificación del Ecuador CONELEC Cuadro Nº 9 Proyectos hidroeléctricos considerados para la modelación Super 14

36 PROYECTOS TERMOELECTRICOS DEL ECUADOR CONSIDERADOS EN LA MODELACION CON SUPER NOMBRE CAPACIDAD NOMINAL (MW) COSTO DE INVERSION (MN USD) COMBUSTIBLE TERMORIENTE RESIDUO CICLO COMBINADO GAS NATURAL CICLO COMBINADO GAS NATURAL CICLO COMBINADO GAS NATURAL 2 MACHALA POWER GAS NATURAL 3 MACHALA POWER GAS NATURAL INTERCON - COL N.A INTERCON - PE N.A POWER BARGE BUNKER KEPPEÑ RESIDUO ARENILLAS GAS PERU Fuente: Anexo 5.20Plan de electrificación del Ecuador CONELEC Cuadro Nº 10 Proyectos Termoeléctricos considerados para la modelación Super 1.4 GENERACIÓN HIDROELÉCTRICA. En general puede decirse que la energía eléctrica de origen hidráulico ha sido la de mayor acogida inicial a nivel mundial, a pesar del surgimiento de otras formas de obtención de energía eléctrica a partir de la termoeléctrica, nuclear, y las no convencionales como la energía eólica y solar, entre otras. La generación hidroeléctrica por facilidades de construcción, economía a largo plazo impacto ambiental, costos de operación y mantenimiento, se la utiliza masivamente en algunos países por ser el agua un recurso renovable, de allí se ha llegado a la saturación, requiriendo por lo mismo otras fuentes alternativas de energía como la térmica y la nuclear. 15

37 Fuente: Figura Nº 7 Componentes Principales de una Central Hidroeléctrica En la figura Nº 7 se explica los componentes principales de una central hidroeléctrica con embalse constituida básicamente por: El embalse, la represa, obras de toma, túnel de carga o galería de conducción, chimenea de equilibrio, casa de máquinas, canal de desfogue, representando una serie de obras civiles, equipamientos hidromecánicos y electromecánicos. Las centrales hidroeléctricas son estaciones en las cuales se aprovecha la energía de un salto de agua para convertirla en energía mecánica y luego en energía eléctrica mediante el acople turbina generador. La mayoría de las grandes centrales hidroeléctricas se construyen en zonas aisladas, lejanas de los centros de carga, y dependiendo de su capacidad de generación son de gran importancia para el sistema de potencia al cual se conectan mediante las líneas de transmisión y subtrasmisión. En la figura Nº 8 se muestra a continuación la forma esquemática simplificada de una central hidroeléctrica. 16

38 Fuente: Figura Nº 8 Esquema de una central hidroeléctrica 1.5 CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 6. Las centrales hidroeléctricas pueden ser clasificadas en función de su potencia, por el salto de agua y por la modalidad de aporte al sistema de potencia POR SU POTENCIA. Respecto a la clasificación de las centrales hidroeléctricas, aun no existe una convención mundial aceptada respecto a nombres y rangos de potencia, pero en varios textos los clasifican como a continuación se detalla: Grandes centrales. Centrales cuya potencia de generación es superior a los 50MW Medianas centrales. Se denominadas medianas centrales cuando su potencia de generación oscila entre 5MW y 50 MW Pequeñas centrales. Centrales cuya potencia de generación oscila entre 1MW y 5MW Minicentrales

39 Para rangos entre los 100 kw y 1MW Microcentrales. Su potencia máxima de entrega varía entre 1,5 kw y 100 kw. A continuación se muestra un cuadro resumen de lo arriba mencionado: POTENCIA TIPO Superior a 50MW Grandes Centrales 5-50 MW Mediana Central 1-5 MW Pequeña Central 100 kw 1MW Minicentrales 1.5 kw 100kW Microcentrales Cuadro Nº 11 Cuadro resumen de las centrales de generación según su POTENCIA POR EL SALTO DE AGUA 7 A las centrales hidroeléctricas también se las clasifica según el salto de agua, esto es la diferencia que hay entre el nivel de la cota máxima del agua en el tanque de carga y el nivel al que se encuentra el rodete de la turbina que acciona o mueve al generador Centrales de alta presión. Se denomina centrales de alta presión a las que tienen Saltos Grandes superiores a los 300metros Centrales de media presión. Se denomina centrales de mediana presión a las que tienen Saltos que están entre los (15 y 300 metros) Centrales de baja presión

40 Las que tienen Saltos pequeños inferiores a los 15 m. A continuación se presenta un cuadro resumen. CAÍDA EN METROS CLASIFICACIÓN TIPO DE SALTO ALTURA (mts) Alta Presión Saltos Grandes H > 300 Media Presión Saltos Medios 15< H < 300 Baja Presión Saltos Pequeños H < 15 Cuadro Nº 12 Cuadro resumen de las centrales de generación según su SALTO POR SU APORTE AL SISTEMA DE POTENCIA. Otra manera de clasificar a las centrales de generación eléctrica es según como se las utiliza para cubrir la curva de carga Centrales de base. Son las que están destinadas a suministrar energía eléctrica de manera continua en el tiempo. Se caracterizan por ser de una potencia elevada y normalmente son las centrales hidráulicas, nucleares, y algunas termoeléctricas cuya operación es muy económica (USD/kWh), confiable y segura Centrales de punta. Estas centrales tienen como principal función cubrir la demanda de energía eléctrica durante los llamados picos de consumo, o sea durante las horas punta. Trabajan en espacios cortos de tiempo, su funcionamiento es periódico y sirven de apoyo a las centrales de base. El costo del kwh es más caro que en el primer caso. 19

41 Central de reserva. El concepto de reserva implica la disponibilidad de instalaciones capaces de sustituir, total o parcialmente, a las centrales de base o de punta durante períodos de sequía, mantenimientos no programados de centrales y cuando hay escasez de combustibles. Algunas de estas centrales pueden ser antiguas pero disponibles para su operación y aporte energético al sistema de potencia; el costo en kwh generalmente es mas elevado que en las centrales anteriores Centrales de bombeo - generación. Las centrales de bombeo-generación posibilitan un empleo más racional del recurso hídrico, o sea del agua de un país que disponga del recurso correspondiente. Cuando la demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel a lo largo del día, las centrales de bombeo generación funcionan como una central convencional generando energía, al descargar el agua de la fuente superior acumulada en el reservorio natural, o lago artificial hacia el embalse inferior. Durante las horas del día en las que la demanda de energía es menor y más barata, el agua es bombeada nuevamente al embalse superior para que pueda realizar el ciclo productivo nuevamente, es decir en este caso operan las turbinas como bombas y los generadores como motores consumiendo energía eléctrica cuando es barata SEGÚN LA DISPOSICIÓN DE LAS INSTALACIONES PARA SU APROVECHAMIENTO DEL AGUA. Las obras de captación por derivación a filo de agua captan el recurso del afluente sin almacenamiento, aprovechando el caudal que hay disponible en el momento dado en el río. Todas las obras de captación deben cumplir las siguientes condiciones: con cualquier calado del río deben captar una cantidad prácticamente constante de caudal. 20

42 impedir al máximo la entrada de material sólido flotante o en suspensión a la conducción y hacer que este siga por el cauce. satisfacer las condiciones mínimas de seguridad. disponer de una estructura de retención que garantice una cota específica de nivel con cualquier caudal del río Mediante embalse o represa. La represa se construye en forma perpendicular al cauce del río con la finalidad de retener y acumular el agua en un nivel suficiente. Hay varios tipos de represas: de tierra o de escollera, arco bóveda, gravedad, y contrafuerte. Las represas pueden tener capacidad de almacenamiento mensual anual, estacional, y multianual En el cauce del mismo río. La captación puede realizarse sin ninguna obra en el cauce del río, en este caso el caudal es llevado directamente por un canal lateral; sin embargo la obra esta expuesta al deterioro por amenazas potenciales Mediante azud y canal de toma de agua. Esta se caracteriza por tener una pequeña presa que no tiene la capacidad de almacenar agua, por lo que no posee regulación, la presa obliga a que parte del caudal fluya a través de la toma y el excedente se vierta por el aliviadero de la presa, es muy usual instalarla en ríos de montaña con las siguientes características. Pendientes longitudinales fuertes que pueden llegar al 10% o más. Crecidas súbitas causadas por lluvias de corta duración y que llevan gran cantidad de piedras y basuras. Grandes variaciones de caudal cuando provienen de nevados. Pequeños sedimentos finos de agua y o relativamente limpia durante el estiaje. 21

43 Un dique cierra el cauce del río obligando al agua que se encuentra por debajo de la cota de su cresta a pasar por la conducción. En el tiempo de crecidas el agua en exceso pasa por encima del dique o azud. 1.6 ELEMENTOS CARACTERÍSTICOS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA. Como se anota en la figura Nº 7 del numeral 1.4 estos elementos son: o Obras de captación o Embalse o Conductos de agua o Casa de máquinas o Turbina o Generador o Elementos auxiliares o Descarga o Subestación de elevación OBRAS DE CAPTACIÓN 8. Son construcciones de ingeniería civil que permiten captar el agua para llevarla hacia la casa de máquinas por medio de azudes, canales, tuberías o túneles con ayuda de compuertas y rejillas. Las obras de captación se derivan a filo de agua y desvían el recurso del afluente que en algunos casos es almacenado en el reservorio antes de ser utilizado en generación Tipos de represas. Su construcción es normalmente de hormigón, o mediante la acumulación de materiales, la misma que construye sobre el lecho del río y perpendicular a su dirección con la finalidad de retener el agua, y para elevarla a un nivel suficiente formando un embalse

44 Dependiendo de las características orográficas y de su emplazamiento, se escogerá el tipo de represa mas adecuado para un determinado proyecto Gravedad. Retiene el agua gracias al tipo de materiales empleados, como mampostería u hormigones, además la estabilidad de la presa es confiada a su propio peso y al esfuerzo del terreno lateral y profundo sobre el que se apoya, es muy difundida y segura. Fuente: Figura Nº 9 Represa tipo Gravedad Contrafuerte. Está formada por una pared impermeable aguas arriba, y contrafuertes aguas abajo resistentes para su estabilidad. Son utilizadas en valles anchos. 23

45 Fuente: Figura Nº 10 Represa tipo Contrafuerte Arco-Bóveda. Las de arco-bóveda son las que aprovechan el efecto transmisor del arco para transferir los empujes del agua al terreno o laterales del valle; son presas más ligeras y se las utiliza en valles estrechos y profundos. Fuente: Figura Nº 11 Represa tipo Arco En la figura 12 se puede observar una represa, de arco bóveda con contrafuertes. 24

46 Fuente: Figura Nº 12 Presa arco bóveda con contrafuertes Tierra o Escollera. Consta de un núcleo de material arcilloso, que a veces es tratado químicamente o mediante inyecciones de cemento. Figura Nº 13 Tipo tierra o escollera 25

47 1.6.2 EMBALSE O RESERVORIO. Puede ser de mediana o gran capacidad de almacenamiento de agua dependiendo del caudal del río. Asegura la disponibilidad de adecuados volúmenes del líquido para el aporte de la demanda especialmente durante las épocas de estiaje. El reservorio ayuda a que se decante el material suspendido en el agua (arena) y se detengan basuras y demás elementos que puedan afectar la operación de la turbina. Los reservorios son divididos generalmente en sectores y disponen de aliviaderos, válvulas compuertas de desfogue y rejillas de limpieza manual o mecánica CONDUCTOS DE AGUA 9. El caudal ha ser aprovechado para la generación de la energía eléctrica es captado y conducido a través de un canal o conductos; el trazado pasa por diferentes accidentes topográficos que son sorteados con obras especiales como acueductos, túneles y sifones hasta llegar al tanque de presión. Los canales pueden ser construidos de diversas secciones y materiales Túnel de conducción. El túnel es una obra subterránea que se excava siguiendo un eje y se utiliza es los siguientes casos: Cuando es más económico atravesar un macizo montañoso mediante túnel, que construir un canal superficial rodeando dicho macizo. Cuando la pendiente transversal del terreno es elevada (mayor al 45%) y las características del material no permiten asegurar la estabilidad y seguridad del canal. El túnel de conducción de una central hidroeléctrica a filo de agua trabaja a presión atmosférica, simulando un canal abierto. El túnel debe mantener la pendiente del canal y seguir la distancia más corta la cual es alterada por situaciones topográficas y geológicas del terreno. 9 ORTIZ, Ramiro, Pequeñas Centrales Hidroeléctricas.p147, Primera Edición. 26

48 La forma de sección del túnel debe ser tal que su área permita la circulación del caudal máximo, y resista las presiones las cuales determinan la forma de su sección y el tipo de revestimiento del túnel. Los túneles pueden tener forma circular, de herradura o de baúl. La forma circular garantiza el área óptima pero es de difícil construcción, por lo que la de baúl es más sencilla en su construcción Tanque de carga. El tanque de carga es una estructura de hormigón ubicada al final del reservorio o del túnel de carga en el cual se alojan las aguas previas a ingresar a la tubería de presión, las mismas que posteriormente serán turbinadas en la casa de máquinas. Los tanques de carga disponen de unas compuertas y válvulas que permiten regular el caudal y están equipadas por rejillas metálicas para evitar la entrada de elementos sólidos o extraños al agua Tubería de presión 10. Conecta el tanque de carga con la casa de máquinas y conduce las aguas hasta los rodetes, donde la energía cinética es transformada en energía mecánica y luego en energía eléctrica. La tubería de presión debe tener preferiblemente una alineación recta y puede ser de acero o de hormigón armado. La tubería de presión esta compuesta por los siguientes elementos: Toma de agua, con rejillas. Codos para variación de pendiente y direcciones del eje de la tubería. Juntas de unión soldadas, bridas, uniones de espiga y campana. Juntas de expansión ubicadas entre anclajes, las cuales asimilan la contracción o dilatación del material por variación de temperatura. Bifurcaciones inferiores que pueden dividir el caudal para varias turbinas. Anclajes y apoyos de hormigón armado que se encargan de sostener y asegurar la tubería a la pendiente natural del terreno. 10 ORTIZ, Ramiro, Pequeñas Centrales Hidroeléctricas.p214, Primera Edición 27

49 1.6.4 CASA DE MÁQUINAS. La casa de máquinas es una estructura civil que aloja la mayor parte del equipamiento electromecánico como es el grupo turbina-generador, los diversos equipos auxiliares que permiten el normal funcionamiento y operación de la central como son los tableros de control de la turbina generador, interruptores de maquina, válvulas, puente grúa, bombas, banco de baterías etc.; se construyen sobre el nivel del suelo, semienterradas y subterráneas. La ubicación de la casa de maquinas es muy importante para el buen funcionamiento de la central y se la decide teniendo en cuenta los siguientes parámetros: Debe estar situada cerca del afluente en el cual se entregará el agua turbinada, teniendo en cuenta que en el canal de desagüe no se depositen sedimentos que afecten su operación. Debe ubicarse en una zona de terrenos estables, que estén fuera del alcance de las riadas que pueden depositar una gran cantidad de sedimentos en el canal de desagüe o en caso extremo en el área propia de la casa de maquinas; libre de derrumbes, deslaves e inundaciones. Disponer de un área posible de ampliación futura en caso de ser necesario. Disponer facilidades de acceso. Las obras a asentarse debe guardar armonía con el medio ambiente y con la mínima afectación posible CANAL DE DESCARGA. El canal de descarga en un componente importante en el diseño de una central hidroeléctrica ya que por su intermedio las aguas turbinadas son evacuadas y devueltas al curso normal del río. 28

50 1.6.6 SUBESTACIÓN DE ELEVACIÓN. Como generalmente las centrales hidroeléctricas están retiradas de los centros de carga, se requiere de uno o varios transformadores para elevar el voltaje a la tensión de transmisión para el transporte de la potencia y energía generada, dichos transformadores con otros equipos conforman la subestación. Para el normal funcionamiento de la subestación se requiere de varios equipos tales como: o Transformadores de potencia. o Interruptores. o Seccionadores. o Seccionadores de puesta a tierra. o Pararrayos, transformadores de medida (TC, TPs). o Estructuras metálicas de soporte para los equipos y barras. o Barras. 1.7 VENTAJAS COMPARATIVAS DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS VERSUS LAS CENTRALES DE GENERACIÓN TÉRMICA. Se ha considerado que la electricidad de origen hidráulico es una alternativa no contaminante comparada con una central termoeléctrica, no obstante, la construcción de una central hidroeléctrica implica obligatoriamente un efecto de impacto en el medio ambiente porque se altera en mayor grado el menor el medio natural de los diversos sitios del proyecto donde se asientan sus obras como son las represa, canales, túneles de conducción, casa de máquinas, y subestación VENTAJAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA. o Genera energía limpia, no contamina el aire y el agua. o Implica experiencia y tecnología fácilmente disponible en muchos países. o El recurso utilizado por ser renovable no se agota; se lo toma en una cota superior y se devuelve en una cota o nivel inferior. 29

51 o El costo del kwh generado de un proyecto hidroeléctrico es menor que en un termoeléctrico. o Genera puestos de trabajo durante la construcción, operación mantenimiento y vida útil del proyecto incluyendo actividades laborales diversas que se realizan antes durante y después de la obras. o Las turbinas hidráulicas son sencillas, eficientes y seguras en su operación y mantenimiento donde se aplican tecnologías no mayormente complejas. o Reducidos costos de operación y mantenimiento, en comparación con las centrales termoeléctricas lo que hace atractiva la inversión a largo plazo. o Larga vida útil de buena parte del conjunto de instalaciones de la central. o El agua puede ser de uso múltiple como generación de energía eléctrica, irrigación de campos, agua potable, lo que implica optimización de inversiones y del recurso hídrico. o Otra ventaja muy importante de la generación hidroeléctrica es lo acordado en el protocolo de Kioto-Japón 11, que contempla la posibilidad de utilizar el procedimiento conocido como "mecanismo de flexibilidad", para limitar y reducir las emisiones de los gases de efecto invernadero. El Modelo de Desarrollo Limpio MDL, es uno de estos mecanismos de flexibilidad. Los objetivos del protocolo de Kyoto-Japón son facilitar a los países desarrollados el cumplimiento de sus compromisos de reducción y limitación de emisiones de gases y al mismo tiempo apoyar, el desarrollo sostenible mediante inversiones y accesos a tecnologías limpias. Esta reducción se lleva a cabo a través de los (MDL), lo que permite a los países industrializados y empresas, comprar parte de las reducciones de gases que provocan el calentamiento de la tierra, como el carbono (CO2), a las empresas de los países en desarrollo. 11 El objetivo del Protocolo de Kyoto es conseguir reducir un 5,2% las emisiones de gases de efecto invernadero globales sobre los niveles de 1990 para el período Este es el único mecanismo internacional para empezar a hacer frente al cambio climático y minimizar sus impactos. Para ello contiene objetivos legalmente obligatorios para que los países industrializados reduzcan las emisiones de los 6 gases de efecto invernadero de origen humano como: dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), y óxido nitroso (N2O), Además de tres gases industriales fluorados lo son: hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF6). 30

52 De esta forma Sigchos también ingresa al mercado internacional de la descontaminación ambiental. En definitiva, significa que una central de generación que no produce emisiones de CO2 puede vender esta "reducción" a países desarrollados que estén obligados a emitir menos gases de efecto invernadero, generando beneficios tanto económicos como ambientales. Hay que tener en cuenta la siguiente equivalencia para las centrales que tienen como combustible los derivados del petróleo (1 GWh de Energía equivale a 645 Ton de Anhídrido Carbónico CO 2 ), Este ingreso de los bonos del carbono representa un ingreso adicional para el financiamiento de la deuda por el costo de construcción de la central hidroeléctrica, reduciendo en un porcentaje el tiempo de recuperación de la inversión total del proyecto, gracias al valor de dichos bonos DESVENTAJAS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA. o Puede alterar el normal desenvolvimiento de vida biológica (animal y vegetal) del río principal y sus afluentes. o Las centrales de embalse especialmente grandes tienen el problema de la evaporación de agua. La construcción de una represa grande puede afectar el entorno natural. o En el caso de centrales de embalse construidas en regiones tropicales, los estudios realizados demuestran que generan como consecuencia del estancamiento de las aguas, focos infecciosos de bacterias, la proliferación de plantas como los lechuguines, que afectan a la operación de las centrales, requiriendo limpieza periódica de los mismos. o De no existir una limpieza programada y periódica del embalse existirá una acumulación de sedimentos, que disminuyen el volumen útil de agua almacenada. o El emplazamiento de un proyecto hidroeléctrico por sus características naturales generalmente está lejos del centro o centros de consumo, de tal 31

53 forma que exige la construcción de un sistema de transmisión de electricidad, con el incremento de la inversión y el costo total del proyecto. o La construcción de una central hidroeléctrica implica más tiempo en comparación de una central termoeléctrica debido a la mayor complejidad y diversidad de las obras de ingeniería civil, y electromecánicas. o La producción de la energía es afectada por las variaciones meteorológicas estacionales, períodos de sequías imprevistos, derrumbes. o Puede provocarse conflictos socioeconómicos por eventuales contradicciones e intereses en las prioridades del uso del agua para riego, agua potable o para generar electricidad y reubicación de poblados aledaños. o Un proyecto hidroeléctrico es más costoso que un equivalente térmico, por lo que su financiamiento se hace más complejo y difícil de obtenerlo. o El tiempo de puesta en servicio es mayor que en una térmica por el tipo y cantidad de obras a ser ejecutadas y su equipamiento. o Varios proyectos hidroeléctricos en el Ecuador por diversas razones e intereses han sido pospuestos y retrasados en su construcción con los consiguientes efectos negativos en la economía del país, lo que ha obligado a la instalación de centrales térmicas de costos elevados de producción especialmente si son a diesel (combustión interna) y turbinas a gas VENTAJAS DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA. o Una central termoeléctrica clásica posee, dentro del propio recinto de la planta, sistemas de almacenamiento del combustible que utiliza para asegurar la disponibilidad permanentemente e inmediata del mismo. o Muchas centrales termoeléctricas están diseñadas para permitir quemar indistintamente combustibles fósiles diferentes (carbón, fuel oil-gas, carbónfuel oil, fuel oil diesel) dependiendo de la disponibilidad de tales carburantes y tipos de motores. o Generalmente están cerca de los centros de carga, lo que reduce de costo de la línea de transmisión. o El financiamiento es más atractivo, en especial el extranjero, por tener un período menor de tiempo para la recuperación del capital invertido. o La puesta en operación toma menos tiempo que una central hidroeléctrica. 32

54 1.7.4 DESVENTAJAS DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA. o El elevado valor en los costos de los combustibles utilizados para su generación, se ha ido incrementando con el paso del tiempo. o Los combustibles son recursos no renovables y se agotan, (Se estima que no habrá petróleo para el 2.050). o La incidencia negativa de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce por la emisión de contaminantes a la atmósfera (procedentes de la combustión de los combustibles) y el ruido que emiten al área circundante afectando a los vecinos y los cultivos. o La combustión del carbón, diesel, bunker y crudo provoca la emisión de partículas y ácidos de azufre con la consiguiente afectación del medio ambiente. o Las centrales termoeléctricas tienen riesgos de incendios y explosiones por tal razón necesitan de un buen sistema de seguridad que eleva su costo de financiamiento. 33

55 CAPITULO II PROYECTO SIGCHOS 2. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA HIDROLOGÍA, SEDIMENTOLOGÍA, GEOLOGÍA Y SISMOLOGÍA CUENCA DE LOS RIOS TOACHI- BLANCO CARACTERÍSTICAS FÍSICAS. La cuenca bajo estudio constituye el área del curso superior de los ríos Toachi Blanco y tiene sus orígenes en la cordillera Occidental de los Andes. El valle tiene una orientación de sur a norte y abarca las áreas flanqueadas al este por los Ilinizas (5245 msnm) y el cerro Yanahurcu (4330 msnm), al oeste por la Cordillera de Chugchilán con el cerro Yuricsalto (3670 msnm), al sur por los Páramos de Apagua con el cerro Eraurcu (4473 msnm). La cuenca tiene una forma alargada con una longitud de 53 km y un ancho de 22 km, abarcando un área de 754 km 2 hasta el sitio de captación y 790 km 2 hasta el sitio definido para ubicar la casa de máquinas. La mayor parte de los suelos de la cuenca se destina a la agricultura y está conformada principalmente por arenas de origen volcánico, que proporcionan la mayor parte de sedimentos del río Toachi CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS EN EL SITIO DEL PROYECTO. En el área de desarrollo del proyecto predomina el clima denominado mesotérmico 13 semihúmedo. 12 Investigación del Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología de la cuenca del Rio Toachi Blanco 34

56 La vegetación, antes densa y exuberante, ha sido con el paso del tiempo reemplazada por pastizales y cultivos. Las temperaturas medias anuales están comprendidas entre 15 y 17 ºC, las temperaturas mínimas rara vez descienden a 0 ºC, mientras que las máximas no superan los 29 ºC. La humedad relativa adopta valores cercanos al 85 % y las precipitaciones medias anuales de toda la cuenca tienen valores entre 1000 y 1600 mm/año y presentan dos estaciones lluviosas, la más marcada de enero hasta mayo y otra más baja en octubre y diciembre. La estación seca principal se extiende una de julio a diciembre lo indicado se explica en la Figura Nº PRECIPITACIÓN MEDIA DE LA CUENCA (HASTA EL SITIO DE LA CAPTACIÓN). La precipitación media de la cuenca hasta el sitio de captación es de 865 mm/año, pudiendo afirmarse que en las cabeceras de la cuenca llueve menos. Casi la totalidad del área de drenaje hasta la captación tiene un régimen de precipitación relativamente bajo. 2.3 CAUDALES DEL RÍO TOACHI REGISTROS DISPONIBLES. La cuenca en estudio no cuenta con estaciones pluviométricas que registren los caudales que pasan por el sitio de captación, por esta razón, se han utilizado los datos de la estación Toachi en Las Pampas, ubicada aguas abajo unos 80 mts. y que controla un área de 1040 km CAUDALES MEDIOS, DIARIOS Y MENSUALES. Con los registros de niveles y las curvas de descarga definidas se han calculado los caudales medios diarios de la estación Toachi en Las Pampas. 13 En una zona intertropical existen cuatro pisos térmicos, entre ellos el mesotermico que representa a una extensión de 1 a 3 km con temperaturas de 10 a 20º C en clima montañoso. 35

57 Para obtener los caudales diarios en el sitio de captación de la central Sigchos, se aplicó a los caudales de Toachi en Las Pampas, 0.56 como coeficiente de reducción que considera las respectivas áreas de drenaje, así como las precipitaciones areales medias. A partir de los caudales medios diarios se calcularon los caudales medios mensuales para el período , los cuales se indican en la figura Nº 14 siguiente. Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Figura Nº 14 Curvas de Duración General En la Figura Nº 15 que sigue a continuación se indica los caudales máximos mensuales, caudales medios mensuales y los caudales mínimos mensuales 36

58 Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Figura Nº 15 Caudales Medios, Mínimos y Máximos Mensuales En la Figura 15 Se puede apreciar que el período seco comprende entre los meses de agosto diciembre CAUDALES MEDIOS MENSUALES. En la Figura Nº 16 se realiza una comparación entre los caudales medios mensuales y el caudal de diseño para la Central Hidroeléctrica Sigchos que es de 7 m 3 /seg cuya concesión de aprovechamiento del agua para la generación ha sido solicitada al Consejo Nacional de Recursos Hídricos, y por la ubicación del proyecto, la jefatura de Latacunga será la encargada de entregar dicha autorización. Los valores cancelados por dicha concesión no influirá en el costo del kwh, generado por la central, ya que dicho valor no entra en los costos fijos ni variables de operación y mantenimiento. 37

59 CAUDALES MEDIOS MENSUALES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC PROM 13,17 20,00 20,53 21,38 17,21 10,59 6,82 5,18 5,04 5,81 5,79 6, Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Cuadro Nº 13 Caudales medios mensuales (m 3 /seg) CAUDALES MEDIOS MENSUALES y CAUDAL DE DISEÑO 25.0 CAUDALES MEDIOS (M3/SEG) Q medio Mensual Q de Diseño ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC MESES Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Figura Nº 16 Caudales medios mensuales y caudal de diseño CAUDALES MÍNIMOS PARA LA GENERACIÓN De la figura 15 se puede obtener el resumen que se muestra en la tabla 14, misma que indica los caudales mínimos para la generación, caudal Q90% quiere decir que tiene el 90% de seguridad de su presencia, Menor valor de porcentaje implica que la probabilidad de su ocurrencia es también menor La cantidad de agua dependerá de la temporada en que se encuentre, esto quiere decir que, durante la época de invierno se aprovechará el caudal de diseño de la Central, 7 m3/s. En cambio, durante la época de estiaje se aprovechará el caudal disponible del río, descontado el caudal ecológico del 10% por la confirmación de la inexistencia de 38

60 especies bio-acuáticas en el curso superior del río Toachi, desde Casa de Máquinas aguas arriba. CAUDALES MÍNIMOS PARA LA GENERACIÓN ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 4,3 7,4 9,4 10,4 8,2 5,4 4,4 3,4 3,0 3,0 3,1 3,2 Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Cuadro Nº 14 Caudales mínimos mensuales (m 3 /seg) 12.0 CAUDALES MINIMOS MENSUALES Y CAUDAL DE DISEÑO POR CADA TURBINA 10.4 CAUDALES MINIMOS (M3/SEG) CAUDAL 90% 5.4 Q de diseño por cada turbina ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC MESES Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Figura Nº 17 Caudales mínimos mensuales y el caudal de diseño por cada turbina. En estas condiciones se considera que una turbina funcionará todo el tiempo y en su plena capacidad, en cambio la otra turbina funcionará en forma parcial y dependiendo de la cantidad de agua que se disponga del río Toachi. Por consiguiente, la producción de energía será variable en función de la época CAUDALES DE CRECIDA. Los caudales de crecida para el sitio de captación del proyecto Sigchos se definieron a base de una comparación con los caudales adoptados para crecidas en varios proyectos ubicados en la vertiente occidental de los Andes, tales como: 39

61 Toachi-Pilaton y Pilalo, llegando a definir una curva de caudales específicos de crecida (lt/s/km 2 ) en función del período de retorno de 10, 20, 50, y 100 años. Mas largo el período de tiempo también es más probable una crecida con mayor caudal Los caudales de crecida definidos de esta manera en m3/seg se indica en la tabla Nº 1 siguiente: Caudales de crecida. Período de retorno (años) Caudal de crecida (m 3 /s) Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Tabla N 1 Caudales de Crecida 2.4 SEDIMENTOLOGÍA TRANSPORTE DE SEDIMENTOS. Los sedimentos son materiales que se encuentran suspendidos en el agua de un río, y que otros reposan también en el fondo del mismo por su mayor peso. La estimación de la cantidad de sedimentos en suspensión se ha hecho partiendo de datos de aforos en la estación Toachi en Las Pampas. Se ha calculado que para el sitio de captación se tiene un transporte medio anual de sedimentos en suspensión de ton/año. En base a valores asumidos para otros proyectos similares, se ha estimado que el arrastre de fondo será el 30 % del valor de los sedimentos en suspensión incluyendo aquí el sedimento no medido ( ton/año) que por encontrarse en el fondo no es detectado por los muestreadores, lo cual da una cantidad de ton/año, o sea el (30% de ton/año). El tipo y la cantidad de material de arrastre tienen influencia por su efecto erosivo sobre compuertas, rejillas, válvulas y principalmente en el desgaste progresivo del rodete de la turbina, y al mismo tiempo influye en la frecuencia-costo del mantenimiento así como el costo por paro operativo de la unidad generadora. 40

62 2.5 GEOLOGÍA GEOLOGÍA GENERAL. En el área del proyecto Sigchos, el basamento rocoso lo conforman lavas y brechas del período Paleoceno, que corresponden a las unidades Macuchi y Mulaute. Este basamento, está cubierto por capas estratificadas principalmente de lutitas, limolitas, areniscas y conglomerados. Depósitos cuaternarios de origen volcánico como tobas finas, tobas aglomeráticas y ceniza volcánica cubren las rocas más antiguas. Los niveles de terrazas se encuentran adosados a las laderas del valle y pequeños depósitos de aluvial, están en el lecho aparente del río Toachi GEOLOGÍA EN LOS SITIOS DE LAS OBRAS Captación. Las obras de captación y obras anexas, se cimentarán en brechas volcánicas, de buenas características geomecánicas. En este sitio las laderas no presentan evidencia de procesos erosivos importantes que afecten su estabilidad Túnel de carga. El Túnel de carga en un 60%, será excavado en brechas volcánicas, con categoría RMR 14 de categoría Buena a Muy Buena. En forma preliminar, el 40% será excavado en lavas fracturadas, con categoría de Buena a Regular Tanque de carga. El Tanque de carga se localiza en una silla topográfica, de buena estabilidad y su cimentación será en lavas meteorizadas. 14 Rock Mass Rainting, (RMR), método para la clasificación de macizos rocosos duros o resistentes. 41

63 Tubería de presión. La tubería de presión, baja una nariz topográfica de mediana amplitud y los procesos erosivos presentes son bajos que no afectan su estabilidad. Se cimentará en rocas meteorizadas y fracturadas Casa de máquinas. La casa de máquinas se ubicará en una pequeña terraza, en la unión de los ríos Toachi y quebrada Pugsiloma. La cimentación será en aluvial de granulometría gruesa. 2.6 SISMOLOGÍA Y RIESGO VOLCÁNICO SISMOLOGÍA. Del estudio del riesgo sísmico, se concluye que la zona de implantación del proyecto, corresponde a una región atravesada por una serie de fallas geológicas activas, capaces de generar movimientos sísmicos de importancia. El valor de la aceleración para el cálculo estructural de las obras, se recomienda en 0.30 de la gravedad, ante la posibilidad de un sismo de magnitud de 6.5 en la escala Richter. Para información comparativa en el proyecto Agoyan se adoptaron valores de aceleración de la gravedad de 0.5 y un sismo de magnitud 7 en la escala de Richter, el proyecto Victoria de la central hidroeléctrica Quijos también adopta un valor de 0.30 de la gravedad RIESGO VOLCÁNICO. Del estudio del Riesgo Volcánico, se determina, que la probabilidad de erupción de los volcanes Quilotoa y del Iliniza, durante la vida útil del proyecto está entre Baja a Nula. 42

64 2.7 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN A SER UTILIZADOS EN LAS OBRAS CIVILES. De las investigaciones preliminares, los agregados gruesos para el hormigón, serán tomados de las excavaciones rocosas en lavas y brechas del túnel. También, se analizan los materiales de las terrazas ubicadas aguas arribas del azud y aguas abajo de casa de máquinas. Se espera que concluyan las investigaciones de las calicatas y ensayos correspondientes para definir los volúmenes de los agregados finos a ser utilizados en este proyecto. Como es obvio mientras más cercanas estén las fuentes de abastecimiento de agregados gruesos y finos para la construcción el costo de los mismos y su transporte se optimizan en beneficio propio del valor final del proyecto Sigchos. 43

65 CAPITULO III PROYECTO SIGCHOS 3 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS OBRAS CIVILES UBICACIÓN. El proyecto Sigchos está localizado en el centro del cantón del mismo nombre, a 150 Kms. al sur de la ciudad de Quito, en la Provincia de Cotopaxi, República del Ecuador. El acceso al sitio del proyecto se realiza desde la carretera Panamericana, en el sector de Lasso, utilizando la vía hacia Saquisilí y luego mediante un camino de tercer orden que sale con dirección oeste hacia las poblaciones de Tanicuchí, Toacazo, Isinliví y Sigchos, en una longitud aproximada total de 52,0 Km. en derivación desde la carretera Panamericana Sur. Esta región climática se ubica entre los 1800 y 3000 (msnm) metros sobre el nivel del mar y se caracteriza por presentar una temperatura media entre 12º y 18 C, y recibe una precipitación promedia total anual entre y mm. La distribución de las lluvias es de tipo zenital 16. La estación seca varia, pero generalmente se presenta con mayor intensidad durante los meses de julio y agosto. 3.2 CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES DEL PROYECTO. Siendo el propósito de la tesis el estudio de factibilidad para el dimensionamiento e implementación de un generador y estación elevadora para la central hidroeléctrica Sigchos se hace a continuación una descripción general de los 15 HIDROPLAN Cia Ltda, Resumen Ejecutivo de Obras Civiles-Diseño Hidráulico. Proyecto Hidroeléctrico Sigchos. 16 Debido a la atracción gravitatoria de la Tierra, las lluvias no siguen una trayectoria recta, sino hiperbólica, uno de cuyos focos se sitúa en el centro del globo terrestre. 44

66 detalles más importantes de los diversos elementos del proyecto en lo que se refiere a las obras de ingeniería civil, a fin de ilustrar como se ha concebido el diseño integral de la obra CAPTACIÓN o TOMA. Es el lugar en el cual se aprovecha de las aguas para mediante su conducción y salto aprovecharlas en la generación hidroeléctrica, tiene las coordenadas: N y E La toma o captación de las aguas del río Toachi, se realiza en la cota 2.265,00 metros sobre el nivel del mar (msnm), en el sector denominado Cununyacu. Es de tipo convencional prevista para un caudal medio anual de 11,54m3/s y consta de un azud de hormigón de 35,00 metros de ancho y 7,00 metros de alto, que permite evacuar una crecida cada 100 años de 400,00 metros cúbicos por segundo (m3/s). En la margen izquierda del río se ubica la Estructura de Toma con una rejilla de entrada de 7,33 metros de largo por 1,97 metros de alto, que se comunica con la Cámara del Desripiador y con el Desarenador desde donde a través de un vertedero frontal, el agua pasa a la conducción. El ingreso al Desarenador está controlado por dos compuertas planas de 1,60 metros de ancho y 1,60 metros de altura. Parte integrante de la Toma es el Canal de Limpieza de Sedimentos y el Canal de Limpieza del Desarenador de sección 1,00 x 1,00 metros, direccionados convenientemente hacia el curso del río Toachi. El Desarenador consta de dos cámaras y se lo ha diseñado para una altura útil de 4,27 metros, una longitud de 39,00 metros y 5,50 metros de ancho para cada una. En el muro lateral derecho del Desarenador se ha previsto un Vertedero de Excesos, de 17,20 metros de largo, y dos compuertas de limpieza de 2,80 metros de ancho y 1,00 metro de altura. 45

67 Por medio de un canal de sección 2,00 x 2,00 metros las aguas en exceso, irán directamente hacia el río Toachi, así como todos los sedimentos que necesitan ser evacuados. Al final de esta estructura se tiene un Vertedero Frontal, que permite el paso del agua limpia al Túnel de Conducción. Ver Figura Nº 18 Figura Nº 18 Obras de captación Caudales de diseño para la central hidroeléctrica. Para el diseño integral del proyecto hidroeléctrico se ha adoptado los siguientes valores de caudales. Caudal medio diario disponible el 90 % del tiempo es de 3,79 m 3 /s. Caudal de diseño del proyecto 7 m 3 /s Obras de cierre del cauce del río. Las obras de cierre del cauce del río estarán conformadas por un azud o vertedero, una compuerta, canal para el control de crecidas y canal de servicio. 46

68 Por el vertedero pasarán hasta 195 m 3 /s, correspondientes a una crecida con un período de retorno de 20 años se ha proyectado un vertedero de 16 m de ancho y 5 m de alto sobre el nivel natural del cauce. La cota de la cresta del vertedero será de 2267,70 msnm y el nivel máximo de crecida 2270,86 msnm, lo indicado se explica en la figura Nº 19. Figura Nº 19 Obras de cierre del Rió Toachi El azud dispondrá de un zampeado o cuenco de disipación aguas abajo, para la formación del resalto de disipación de energía y disminuir al máximo el efecto erosivo del agua. La compuerta y canal de crecidas desempeñan cuatro funciones importantes que son: 1.- Descargan los caudales de crecida sobre los 195 m 3 /s; 2.- Eliminan parte de los sedimentos que se depositan detrás del vertedero de crecidas; 3.- Sirven como elemento de desvío del río durante la etapa de construcción del vertedero; 4.- Permiten pasar las aguas del río Toachi durante las paradas de la central. La compuerta será del tipo radial y tendrá un ancho de 6 m y alto de 3,5 m. que completamente abierta tiene una capacidad máxima de descarga de 141 m 3 /s. 47

69 El canal que evacua la descarga de la compuerta tiene 7 m de ancho y una pendiente del 2 %. La longitud del canal será de 31 m hacia aguas abajo del eje de la captación y se prolonga 10 m hacia aguas arriba del mismo eje. La compuerta y canal de servicio desempeñan dos funciones importantes: 1.- Ayudan a lavar los sedimentos depositados en el frente de la rejilla; 2.- Descargan los caudales ecológicos que se requieran hacia aguas abajo. También se los puede considerar como elementos de emergencia durante el paso de crecidas extraordinarias. La compuerta será de tipo plano, con un ancho de 2 m y alto de 2 m, completamente abierta, la compuerta tiene una capacidad máxima de descarga de 27,7 m 3 /s. El canal de servicio tiene 2 m de ancho y una pendiente del 5 %. La longitud de 31 m hacia aguas abajo del eje de la captación se prolonga hacia aguas arriba del mismo eje hasta abarcar todo el frente de la rejilla de entrada. La pared derecha del canal se prolonga 18 m hacia aguas arriba del eje de la captación y esta tiene como objetivo evitar el depósito de material grueso en el frente de la rejilla. Esta protección del frente de la rejilla se completará con la construcción de un pequeño dique de cierre en el inicio del canal de servicio Obras de toma. La toma está conformada por los siguientes elementos, siguiendo la dirección de aguas arriba hacia aguas abajo: Rejilla. Desripiador, compuerta y canal de descarga del desripiador. Vertedero de excesos, canal recolector y descarga del vertedero de excesos. Compuertas de regulación de caudales de ingreso a desarenadores. Transición de ingreso a desarenadores. Desarenadores con vertedero frontal de salida de caudales. Compuertas y canal de limpieza de desarenadores. Canal recolector del agua que pasa sobre vertedero de desarendores. 48

70 Para el dimensionado de la rejilla se ha asumido que la velocidad máxima de flujo sea 0,68 m 3 /s, considerando una obstrucción del 30 %. La rejilla estará constituida por barrotes rectangulares de 25 mm de espesor y 120 mm de ancho, con un espaciamiento entre barrotes de 75 mm. La rejilla tendrá 2 m de alto y 9,875 m de longitud, en esta longitud están incluidas dos pilas de 0,5 m de espesor. La limpieza de las rejillas será ejecutada con rastrillo mecánico. Aguas abajo de la rejilla se dispondrá de un desripiador que permita atrapar cualesquier grava inferior a 75 mm que pueda pasarse por la rejilla. Para la limpieza del desripiador se dispone de una compuerta plana de 1,4 m de ancho y 1,4 m de alto, cuya descarga se conduce por un canal de la misma sección de la compuerta, con una pendiente del 5 %, que entrega el caudal al canal de servicio. Para el control de los caudales de exceso que pasan por la rejilla, en la pared derecha del canal de aproximación hacia los desarenadores se ha proyectado un vertedero de excesos de 10 m de longitud. Durante la ocurrencia del caudal de diseño del vertedero principal, se ha calculado que por el vertedero de excesos pasarán 22,58 m 3 /s. El canal de descarga del vertedero tiene 2,5 m de ancho y una pendiente del 5 %. A continuación del desripiador se tiene un canal de aproximación a los desarenadores que tiene una longitud de 12 m y ancho 7,9 m; en este tramo se uniformiza el flujo que sale de la curva. Luego del canal de aproximación se tiene la bifurcación para el ingreso a los dos desarenadores. El canal de ingreso a cada desarenador tiene 2m de ancho y 5m de longitud; en este tramo se ubica la compuerta de regulación de caudales de ingreso hacia el desarenador; la compuerta será plana de 2m de ancho y 2m de alto. Después del tramo de compuertas de regulación, se inicia una transición de sección, que permite cambiar de sección rectangular a sección trapecial, tiene 7,5 m de longitud, y cambia en forma gradual de un ancho de 2 m a 5,4 m. 49

71 La sedimentación de las arenas se la realiza en dos desarenadores que funcionan en paralelo cada uno diseñado para un caudal de 3,5 m 3 /s; son de lavado intermitente, es decir, en cada lavado debe ser vaciado el desarenador, mientras el alterno sigue trabajando. Cada cámara tendrá las siguientes dimensiones: 38 m de longitud, 5,4 m de ancho y 2,95 m de profundidad. La sección de sedimentación será rectangular, mientras que la sección de depósito de sedimentos en el fondo será trapecial; el ancho en la base del trapecio es 1,4 m. Para el lavado de los sedimentos decantados, al final del desarenador, pasando el canal recolector, está dispuesta una estructura que aloja una compuerta plana de 1,4 m de ancho y 1,4 m de alto. Tanto la compuerta de lavado del desarenador izquierdo, como la de lavado del desarenador derecho, descargan en un mismo canal que restituye las aguas al río Toachi. Este canal de limpieza tiene una sección de 1,4 x 1,6 m y una pendiente longitudinal de 4 %. Los caudales desarenados pasan frontalmente por encima de los vertederos ubicados al final del desarenador hacia el canal recolector que los dirige hacia el túnel. El canal recolector de los caudales que pasan sobre el vertedero, se ha definido del mismo ancho del túnel de conducción, esto es, 3 m y una pendiente del 8 %. A la salida del canal recolector se inicia la pendiente de 1,5 que es la pendiente calculada para el túnel, cuyo inicio está ubicado a 18,03 m del eje de los desarenadores Limpieza de sedimentos en la captación. El arrastre de fondo, estimado en ton/año, casi en su totalidad se depositará detrás de la de captación, siendo el período de invierno el más crítico para el mantenimiento de la toma. 50

72 Cuando la central se encuentre operando, el transporte de fondo depositado detrás del vertedero y de la compuerta de crecidas puede limpiarse con lavados hidráulicos mediante aperturas pequeñas y esporádicas de la compuerta de crecidas. De igual manera, los sedimentos gruesos y pesados depositados en el frente de la rejilla pueden limpiarse mediante aperturas parciales y esporádicas de la compuerta de servicio. Los sedimentos gruesos que no logren eliminarse con el lavado hidráulico, deberán sacarse mediante la utilización de equipo mecánico pesado, consistente en una retroexcavadora y una volqueta que transporte el material hacia las escombreras. Este equipo pesado podrá operar desde la losa de operación y patios previstos en el proyecto de captación, de modo que se pueda tener limpio el frente de la compuerta de crecidas y el frente de ingreso hacia la zona de rejillas. Cuando por algún motivo se pare la operación de la central, se tratará de limpiar los sedimentos depositados en el cauce del río con un lavado hidráulico, con aperturas parciales de la compuerta de crecidas, llenando y vaciando el pequeño embalse, para a continuación ingresar al cauce del río el equipo pesado como un tractor de oruga, una retroexcavadora y volquetas para ejecutar la limpieza de los sedimentos depositados TÚNEL DE CONDUCCIÓN Características topográficas del área y geometría del túnel. La topografía de la zona en donde se desarrollará el túnel de conducción presenta un relieve muy irregular, con macizos montañosos rocosos de fuerte pendiente del terreno. En todo este relieve se destaca muy claramente la montaña Oquendo. El túnel con una pendiente de 1.5 se inicia inmediatamente aguas abajo del canal recolector que recoge los caudales que pasan sobre los vertederos al final de los desarenadores como se muestra en la siguiente figura. 51

73 T4 T3 T1-T mts S W T2-T mts N W T3-T mts N W T2 T1 Figura Nº 20 Ruta de túnel de conducción Los resultados de los estudios geológicos y geotécnicos indican que casi todo el túnel se encontrará en roca de buena calidad, de modo que la sección no requerirá de protección, excepto eventuales revestimientos puntuales de hormigón lanzado. El túnel tendrá una solera plana en hormigón convencional para mejorar su capacidad hidráulica y para facilitar el tráfico del equipo de construcción. Se ha previsto que la construcción del túnel se ejecutará con un solo frente por razones que facilitaran el flujo a gravedad de las aguas de infiltración Sección básica de excavación. En función del caudal de diseño, de 7 m³/s, el valor del diámetro del túnel de conducción responde a un diámetro mínimo desde el punto de vista constructivo. De acuerdo a las experiencias de túneles construidos en el Ecuador, el diámetro mínimo que facilita la maniobrabilidad de los equipos de construcción es 3 m; este es el diámetro que se ha adoptado para el túnel del proyecto Sigchos. Por consideraciones geotécnicas se proyecta una sección tipo baúl con corona o bóveda circular de 1,5 m de radio y paredes verticales de 1,5 m de alto. En esta sección se construirá una solera de hormigón de 0,15 m de espesor. También está prevista una cuneta de drenaje de 0,3x0,3 m. 52

74 Un resumen de las características principales del túnel es el siguiente: SECCIÓN: TIPO BAÚL Radio de la bóveda: Alto de paredes: 1,5 m 1,5 m TIPO DE ACABADO: Bóveda y paredes: Roca Solera: hormigón de 0,15 m de espesor Longitud de túnel: 3384,7 m Pendiente de túnel: 1,5 Cota solera en inicio: 2265,081 msnm Cota solera al final: 2260,001 msnm Fuente: Resumen Ejecutivo de Obras Civiles-Diseño Hidráulico. Tabla Nº 2 Características principales del túnel. Figura Nº 21 Sección del Túnel TANQUE DE CARGA O PRESIÓN. El Tanque de Carga se ha diseñado un volumen aproximado de 1.070,00 m3. Las dimensiones del tanque son: longitud 18,70 metros, ancho 11,00 metros y altura promedio 5,22 metros. 53

75 En la cabeza del Tanque de Carga está prevista la colocación de una reja fina de 3,49 metros de ancho y 4,67 metros de altura para garantizar una limpieza adicional del agua y, a continuación, una compuerta que permita controlar el paso del agua a la tubería de presión. También se ha previsto en el muro derecho un vertedero de excesos y la instalación de una compuerta de limpieza de 1,00 metro de ancho por 1,00 metro de altura, que se conecta directamente con la rápida de excesos. La rápida de excesos se comunica con la quebrada que está a la derecha de las obras de presión y es un canal rectangular de sección 2,00 x 2,00 metros y longitud aproximada de 300,00 metros. Este canal, que recoge las descargas del Tanque de Carga, será de hormigón armado, conduciendo los sedimentos y los excesos de agua hacia el río Toachi. Figura Nº 22 Túnel tanque de carga y desvío de excesos Componentes del tanque de presión. Los componentes del tanque de presión son los siguientes. o Estanque principal. o Embocadura. 54

76 o Canal bypass. o Vertedero de excesos. o Canal de excesos, todo esto se puede ver en la Figura Nº 23. Figura Nº 23 Tanque de Presión Estanque principal. Entre el portal de salida del túnel y el inicio del tanque de presión hay un tramo de 77,07 m de canal de 2,2 m de ancho y 2 m de alto, que tiene la misma pendiente del túnel, esto es, 1,5. Este canal entrega directamente el caudal al estanque principal. Dos metros aguas arriba de la llegada al tanque se ha proyectado una compuerta plana de 2,2 m de ancho y 2 m de alto, la cual servirá para cerrar el flujo hacia el tanque, cuando se lo vaya a vaciar y limpiar. Entonces se abrirá la compuerta de entrada al canal bypass para desviar el flujo por el mismo, de esta manera, la central continuará funcionando mientras se limpian los sedimentos del tanque. La compuerta de ingreso al bypass tiene 2 m de ancho 2 m de alto. Las paredes del tanque son verticales y en la pared izquierda estará ubicado un vertedero de excesos de 40 m de longitud. La solera del tanque de presión es plana; tiene una pendiente longitudinal del 1%. 55

77 Entre el nivel máximo normal de operación y el nivel mínimo normal de operación se disponen de 1204 m³ que constituye el volumen útil. Entre el nivel mínimo normal de operación y el nivel mínimo de emergencia hay un volumen de 301 m³ que se lo denomina volumen de emergencia. Entre el nivel mínimo de emergencia y la solera se tienen 435 m³, que corresponden al volumen muerto, o volumen disponible para el depósito de sedimentos Embocadura. Se denomina embocadura al tramo de aproximación del flujo hacia la estructura de entrada a la tubería de presión, comprendido entre el fin de la transición y la entrada a la tubería. De acuerdo a esta denominación, la embocadura tiene una longitud total de 16 m y un ancho de 3,3 m. contiene los siguientes elementos: o Área de compuertas. o Rejilla de entrada. o Área de profundización del tanque. En la pared izquierda se tiene ubicada la compuerta de limpieza del tanque, que permite el vaciado y posterior limpieza. La compuerta es plana de 1,2 m de ancho y 1,2 m de alto. El caudal que sale de la compuerta se encauza por un canal cerrado de hormigón del 2% de pendiente longitudinal, 1,6 m de ancho que desemboca en el canal de excesos. A continuación está proyectada una compuerta plana que abarca todo el ancho de la embocadura, esto es, 3,3 m, con un alto de 3,6 m. Esta compuerta se utilizará para aislar el estanque principal, cuando se lo va a vaciar y limpiar, con el agua fluyendo hacia la central por el canal bypass. A unos 2 m aguas abajo de esta compuerta llega el canal bypass. La rejilla de 3.3m de ancho se encuentra inmediatamente aguas abajo del área de compuertas, dimensionada para el paso de 7m³/s. 56

78 Canal bypass. Este canal funcionará solamente cuando se tenga que limpiar los sedimentos del tanque de carga, para lo cual se deberán abrir las dos compuertas que están a la entrada y a la salida del canal bypass y cerrar las compuertas ubicadas a la entrada y a la salida del tanque. De este modo, la central podrá seguir operando, mientras el estanque principal está en mantenimiento Vertedero de excesos y canal recolector. El vertedero de excesos se encuentra sobre la pared izquierda del tanque de presión, ocupando una longitud de 40 m. Se ha definido esta longitud con el objeto de generar en el tanque niveles de agua que sean compatibles con los niveles de llegada en la conducción. El canal recolector tiene una pendiente del 2 %. A la salida del canal recolector se inicia la pendiente de 2,4 que es la pendiente calculada para el canal de excesos TUBERÍA DE PRESIÓN. La Tubería de Presión es de acero y vence un desnivel de 301,00 metros desde el Tanque de Carga hasta la Casa de Máquinas. El diámetro de la tubería de presión será de 1,60 metros, longitud de 561 metros; en el tramo de llegada a la casa de máquinas contará con una bifurcación de 1,10 metros de diámetro, para cada turbina. La Tubería descansará a lo largo de su desarrollo sobre apoyos conformados por dados de hormigón y anclajes de hormigón armado en los cambios de pendiente de la misma. Estas obras serán construidas en una zanja trapezoidal, cuya solera tendrá 3,20 metros de ancho y 0,40 metros de espesor en hormigón, cunetas laterales para la evacuación de las aguas lluvias y gradas de circulación en el lado derecho. La configuración topográfica de la montaña facilita el trazado en planta de la tubería de presión siguiendo una sola alineación. Sólo se necesita una deflexión al inicio, para poder conectar con el eje del tanque de carga. 57

79 Niveles de operación de la central. Con el objeto de poder definir la geometría de la tubería de presión, es necesario conocer los niveles de operación de la central: Nº DESCRIPCIÓN m.s.n.m. DIFERENCIA DE ALTURAS 1 Nivel máximo normal de operación (msnm) 2261,20 (1 y 4) caída neta 2 Nivel mínimo normal de operación (msnm) 2259,20 (2 y 4) Nivel mínimo de emergencia (msnm) 2258,70 (3 y 4) Nivel del eje del rodete de la turbina (msnm) 1963,50 Fuente: Resumen Ejecutivo de Obras Civiles-Diseño Hidráulico. Cuadro Nº 15 Niveles de operación de la central Estructura de entrada. La estructura de entrada se la ha denominado como el inicio de la tubería de presión, en este tramo se encuentran la transición de entrada que es una campana de 0,75 m de longitud conformada en la pared de hormigón, con un diámetro inicial de 1,95 m y un diámetro final de 1,5 m. El blindaje comienza al final de la campana. A continuación de la campana se encuentra una cámara de válvulas de 3,85 m de longitud y 6,70m de ancho que alojará una válvula mariposa de 1,5 m de diámetro que permite cerrar el flujo en el caso de alguna emergencia en la tubería de presión; también están previstos una válvula de aire y un medidor ultrasónico de caudal Geometría y características de la tubería de presión. Las condiciones topográficas favorecen el proyecto de tubería de presión con una sola alineación por lo que solamente en el inicio se requiere de una deflexión de 58,9164º para empatar con el eje del tanque de carga. La tubería de presión irá instalada a un promedio de 3m bajo tierra, copiando el perfil del terreno, lo cual ayuda a reducir el volumen de excavación así como los costos de los anclajes. 58

80 La tubería se instalará en una zanja de 2.7 m de ancho (0.6 m libres a cada lado de la tubería para su manipulación y trabajos de soldadura), e irá asentada sobre una cama de arena de 0,1 m de espesor. El blindaje en la tubería de presión es de 1500 mm de diámetro interior tiene una longitud de 528,83 m hasta antes del cono de reducción de sección, el cual reduce el diámetro de 1500 a 1250 mm y tiene una longitud de 1,5 m. A continuación del cono está el codo de deflexión y luego la bifurcación de 80º de 1250x850x850 mm que dirige el flujo hacia dos ramales de 850 mm de diámetro interior que llegan hasta un cono reductor de 850 a 813 mm, que es el diámetro de las válvulas esféricas que permitirán el paso final del agua a cada turbina. Para el caudal de diseño, la velocidad del flujo varía entre 3,96 m/s en la tubería de presión de 1500 mm hasta 6,17 m/s en el ramal de llegada a cada válvula esférica Pérdidas hidráulicas y caída neta. Se han calculado las siguientes pérdidas hidráulicas 17 : Pérdidas por fricción (m) 3,043 Pérdidas locales (m) 1,085 Pérdida total (m) 4,128 El valor de la caída neta para el caudal de diseño es: Nivel máximo normal de operación (msnm) 2261,200 Nivel eje rodete de turbina (msnm) 1963,500 Caída bruta (m) 297,700 Perdida total (m) 4,128 Caída neta (m) 293, CASA DE MÁQUINAS. La Casa de Máquinas será superficial, o sea construida a nivel del terreno. Con un área de 428,00 m 2 (36,00 x 10,90 m) y en ella se instalarán los equipos hidro y electromecánicos, consistentes en turbinas Pelton, válvulas, generadores, equipos de medida, control y auxiliares. 17 Resumen Ejecutivo de Obras Civiles-Diseño Hidráulico 59

81 El área incluye espacio para montaje, reparación, control de los equipos, oficinas y bodegas. La casa de máquinas se localizará en una pequeña planicie conformada por material aluvial en el área de confluencia del río Toachi y la quebrada Pugsiloma DESCARGA. Las aguas turbinadas se descargarán al río Toachi por medio de un canal rectangular de hormigón armado, de 2,00 x 2,00 metros de sección y 50,00 metros de longitud. El flujo que pasa por las turbinas es descargado al cárcamo blindado y de allí hacia el canal de descarga de cada unidad, que tiene 1,6 m de ancho. Los dos canales se juntan en uno solo, previo a la restitución de los caudales al río Toachi que tiene 3,2 m de ancho. El canal de entrega dispone de un vertedero de 0,70 m de alto, cuyo objeto es evitar que los sedimentos transportados por el río se depositen en la descarga de la central. Ver Figura 24. Figura Nº 24 Casa de Maquinas, Canal de descarga 60

82 La crecida con un período de retorno de 10 años es de 135 m 3 /s, para este caudal el nivel del río es 1959,31 msnm; lo que significa que hasta con crecidas de 10 años el río no influirá en los niveles de la descarga. Para niveles en el río superiores a 1960 msnm, deben cerrarse las compuertas de las descargas de cada turbina. La crecida con un período de retorno de 100 años es de 390 m 3 /s, para este caudal el nivel del río estará en 1961 msnm, que es menor a la cota 1962,53 msnm del piso principal de casa de máquinas CAMINOS DE ACCESO. Los caminos permanentes de acceso, se ejecutarán a partir de las vías existentes, y serán ejecutados de acuerdo con los planos de diseño y las normas e instructivos que proporcione la Ilustre Municipalidad del Cantón Sigchos. A más de las vías de acceso hasta la ciudad de Sigchos, será necesario mejorar la vía de acceso hasta el sector de Guacusí, en una longitud aproximada de 7,0 Km., mismo que está cercano al sitio de las Obras de Toma. Para la ejecución de las obras será necesario la construcción de caminos de acceso hasta las Obras de Toma y de igual forma al portal de entrada al Túnel de Conducción, estos caminos tendrán una longitud máxima de 3,0 kilómetros, de igual forma se lo deberá hacer hasta la salida del Túnel, Tanque de Carga y Tubería de Presión, de una longitud de 6,0 Km. Se tendrá que construir el acceso desde la toma hasta el sitio en que se encuentra la Casa de Máquinas y Subestación en una longitud de 2.5 Km. En resumen los caminos que deberán ser implementados y que son trabajos obligados para la construcción de las obras son los siguientes: Construcción de la vía a la Toma, Construcción de la vía Toma Tanque de Carga, Construcción de la vía Toma Casa de Máquinas 61

83 CAPITULO IV PROYECTO SIGCHOS 4 SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO PRINCIPAL (TURBINA - GENERADOR) 4.1 GENERALIDADES. Con base en los principales parámetros del aprovechamiento hidráulico se procede a la selección del equipo electromecánico para la central, cuyas características básicas son las siguientes: Caída neta: m Caudal máximo de diseño: 7.00 m³/s 4.2 CONDICIONES AMBIENTALES EN EL SITIO. Temperatura máxima absoluta 40 C Temperatura mínima absoluta 0 C Grado de asoleamiento 20 C Temperatura media anual 15 C Viento máximo Viento máximo excepcional 130 km/h 165 km/h Humedad relativa máxima 100 % m.s.n.m 2000 Coeficiente sísmico Co= 0,3 Fuente: Resumen Ejecutivo Hidrológica Sedimentologia, Sismología y Geología. Tabla Nº 3 Condiciones Ambientales Proyecto Sigchos. 62

84 4.3 SELECCIÓN DEL NÚMERO DE UNIDADES. En una central hidroeléctrica, la tendencia actual es el empleo del menor número de unidades ya que existen ventajas económicas técnicas como los costos de la turbina y generador. Con menos equipos, se favorece una mejor automatización, el costo total de la instalación disminuye, reduciéndose también las probabilidades de falla y de accidentes. Para la selección de la cantidad de unidades se propone los siguientes criterios y razonamientos: En una central hidroeléctrica, no es recomendable que toda su potencia se concentre en una sola unidad, pues al sufrir cualquier daño, o al ser desconectada del sistema para someterse a mantenimientos programados o no, se perdería la totalidad de la potencia instalada. La operación, control y el mantenimiento de una casa de máquinas con menor número de unidades es más económico Se necesitaría un puente grúa de mayor capacidad y costos en el caso de la instalación de una sola unidad debido a que la maquina y sus partes serían más pesadas y voluminosas que al contar con dos o más unidades de menores dimensiones y pesos. Si se trata de una sola unidad el tamaño de las piezas son más voluminosas y más pesadas que podrían exceder las limitaciones de diseño de ciertos caminos, alcantarillas puentes, túneles de acceso al sitio de la obra o en su defecto tener que reforzarlos. Dos unidades tendrían la ventaja de ajustar mejor la producción a la disponibilidad de agua en el tiempo y, eventualmente, a los requerimientos de la carga, pero con un costo mayor que con una máquina. Disponer de dos unidades ayuda a que en el caso de mantenimiento o de falla de una de ellas se tendría potencia y energía de la otra unidad. Instalar tres unidades, tampoco sería lo recomendable y económico por cuanto resultarían máquinas demasiado pequeñas, menos eficientes; además adquirir e instalar tres máquinas pequeñas es más caro que sólo dos unidades de mayor tamaño, lo que significaría una casa de máquinas 63

85 más grande, con el consiguiente encarecimiento de la obra civil y prolongación del tiempo de construcción e instalación, además dificulta controlar el plan de operación optimo del puente grúa durante el montaje y el mantenimiento de una o dos unidades. Respecto a los costos relativos de una central en función del número de unidades se tiene la siguiente proporción 18. o Una unidad costo relativo 1,00 o Dos unidades costo relativo 1,40 o Tres unidades costo relativo 1,55 En el proyecto Sigchos el caudal firme de 3.5 m 3 /seg con una seguridad del 90%, implica que mínimo una unidad estará trabajando al 100% de su capacidad lo cual es correcto por la eficiencia combinada del grupo turbina-generador. Teniendo en cuenta la potencia instalada de la Central Hidroeléctrica Sigchos de 18MW, esta no representa sino el 0,6% de la demanda del país correspondiente al año 2008, concluyéndose que no va ha ser una central gravitante dentro del sistema nacional lo que suguire instalar dos o más unidades y no una sola. En función de los razonamientos anteriores, experiencias de otros proyectos y los caudales disponibles variables durante el año, se concluye la conveniencia técnico económico de la instalación de dos unidades. 4.4 SELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA. Con frecuencia, los dilemas en la elección de la turbina se presentan entre las tipo Pelton y las Francis, debido a su buena comercialización y las condiciones de funcionamiento que ambas ofrecen. Es muy conveniente la utilización de las turbinas tipo Pelton, cuando los caudales son reducidos y su altura es elevada, otras características ventajosas que ofrecen son el fácil mantenimiento y reposición a un bajo costo relativo y tiempo de la boquilla 18 GÓMEZ NAVARRO José L., Saltos de Agua y Presas de Embalse, Tercera Ed. Madrid

86 de los inyectores cuando el agua arrastra materiales sólidos, lo que hace más agresiva contra la turbina También existen ábacos o tablas de los fabricantes que orientan mejor para una buena elección del tipo de turbina a ser utilizada en una central hidroeléctrica como la que se presenta a continuación en la Figura Nº 24 en donde el salto del agua está en función del caudal. Se observa en el caso específico de esta tesis que para un caudal de 3,5m3/seg y una caída de 300mts corresponde a la zona de aplicación o de utilización de las turbinas Pelton. Fuente: Figura Nº 25 Selección del tipo de Turbinas VELOCIDAD ESPECÍFICA. Se entiende por velocidad específica, a la velocidad a la que giraría la turbina del proyecto Sigchos, si se la redujere a una escala menor de tal manera que se obtenga una potencia de 1kW con un salto de agua de 1metro; en el sistema internacional. Si se hace referencia al sistema inglés la relación estaría dada por obtención de 1HP de potencia con una altura de salto de 1 pie. 65

87 Si consideramos que H y P son constantes la velocidad específica depende exclusivamente de la velocidad, esto implica determinar la velocidad de rotación de la unidad, que afecta al peso y dimensiones de la máquina. La velocidad especifica [n s ], está definida por la siguiente formula. n s = n P 5 4 H Donde: n s : Velocidad Especifica [RPM] n : Velocidad de rotación de la Turbina [RPM] P : Potencia de salida a máxima eficiencia [kw] H : Caida Neta [m] La tecnología de las turbinas hidráulicas clasifican a las mismas en función de la velocidad especifica como se explica en la Tabla Nº 2 que se muestra a continuación. TIPO DE TURBINA Valores de n s Pelton 1 inyector Hasta 30 Pelton 2 Inyectores Pelton 3 o mas inyectores Michel Banki Francis Lenta Francis Normal Francis Rápida Axiales Fuente: OLADE BID Manual de Diseño de Pequeñas centrales Hidroeléctricas. Tabla Nº 4 Tipo de turbinas en función de la velocidad especifica DISPOSICIÓN DEL EJE. Existen dos tipos de disposición de los ejes en las turbinas Pelton Eje horizontal. En la disposición horizontal sólo se pueden instalar turbinas con uno o dos inyectores como máximo, debido al complicado montaje y mantenimiento de los mismos. 19 OLADE BID Manual de Diseño de Pequeñas centrales Hidroeléctricas, Equipos Volumen IV,

88 Sin embargo, en esta posición, la inspección del rodete en general es más sencilla, por lo que las reparaciones por desgastes se pueden solucionar sin necesidad de desmontar la turbina. La casa de máquinas se hace más ancha, influyendo en el costo del puente grúa, pero en cambio baja el costo del tipo de cojinete para la turbina generador porque se distribuyen los pesos más eficientemente, disminuyen los costos de excavación para construir la casa de máquinas, la inspección y control es más simple al tener al conjunto turbina generador a un solo nivel o piso de la central. Fuente: Figura Nº 26 Grupo Turbina - Generador Pelton de 2 Inyectores Eje vertical. Esta posición facilita la fijación de la alimentación del caudal en un plano horizontal haciéndole posible aumentar el número de inyectores en un máximo de seis, lo que disminuye las dimensiones de la turbina. Se debe tomar en cuenta que en la disposición vertical el mantenimiento se hace algo más difícil y, por ende, más caro, siendo aconsejable para aquellos lugares en donde se tienen aguas limpias y que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes del rodete de la turbina. 67

89 Como ventaja se acorta la longitud entre la turbina y el generador, disminuye al diámetro de la rueda y se puede aumentar la velocidad de giro bajando el costo de la turbina. Disminuye el costo del puente grúa porque la casa de maquinas es más angosta. Con esta disposición aumenta el costo de la excavación de la casa de maquinas. El control e inspección visual del conjunto turbina - generador tiene que hacerse en diversos pisos o niveles de la casa de maquinas lo que puede representar un inconveniente especialmente durante emergencias. Además el sistema de cojinetes es más complicado y caro que con una disposición de eje horizontal. Ver Figura 27 Fuente: personales.ya.com Figura Nº 27 Turbina tipo Pelton Eje Vertical seis Inyectores (Vista Superior) 4.5 ALTERNATIVA 1: CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL PARA LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SIGCHOS, Para el cálculo de la potencia nominal de la Central Hidroeléctrica Sigchos se aplica la siguiente expresión: 68

90 Donde: Kg Pt = 1000 Hn 3 m [ kw ] P P [ m] Kg m Pt = ensionalmente = HnQηT seg dim 1000 puesto que : 1 T T Kg m = 102 seg 1000 = Hn Q ηt 102 = 9.81 H Q η n T 3 m Q ηt seg [ kw ] [ kw ] PT potencia de la turbina. [Kk] Hn caída neta en =293,57 [mts.] Q Caudal de diseño =7,00 [ m 3 /seg] η T Eficiencia de la turbina [ 0.90] POTENCIA NOMINAL TOTAL DE LA CENTRAL SIGCHOS Aplicando la siguiente expresión la potencia de la Central se tiene: P P P T T T = 9.81 H Q η n = = kw T POTENCIA POR UNIDAD La potencia total de la central será compartida entre dos turbinas P = kw 2 P = 9072 kw por turbina 69

91 Fuente: Water Power & Dam Construction, 1978 Figura Nº 28 Velocidad Específica VS Salto de diseño y por número de inyectores. 20 Mediante tablas se obtiene el valor de la velocidad específica aproximada ns = para turbinas Pelton de dos inyectores VELOCIDAD ESPECIFICA DE LA TURBINA, POR CHORRO [ nsj ] Donde: n P n i sj = n 5 H (1) ns = (2) n n n s sj s = n = n sj H P ns = ; i KW 5 4 n KW sj i (1) = n P P (2) = n i n P P n i 0,5 0,5 1,25 ( H ) 1,25 ( H n ) 1,25 ( H ) i Numero de inyectores o números de chorros=2 ns velocidad específica del rodete = ,5 n 0,5 n 1,25 ( H ) = n i 20 Para la selección del tipo de turbinas nos hemos guiado del cuadro publicado por Water Power & Dam Construction Diciembre 1978, Tema: MODERN TRENDS IN SELECTING AND DESIGNING PELTON TURBINES by F. de Siervo and A. Lugaresi. 70

92 nsj velocidad específica por velocidad o por chorro. n n n sj sj sj ns = i = 2 = Según Tabla 1 corresponde a Turbina Pelton de dos Inyectores VELOCIDAD SINCRÓNICA APROXIMADA [ n ] Donde: i Numero de inyectores ns velocidad sincrónica Hn Caída neta en metros PkW Potencia total de la turbina nsj velocidad especifica de la turbina por chorro n = n sj H P n = n i n = kw ( ) [ RPM ] 5 4 Se selecciona una velocidad sincrónica estandarizada n=450 rpm, (cercana al valor de ) referente al generador acoplado directamente a la turbina que gira con igual velocidad CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE EMBALAMIENTO [nf ] 71

93 n n n n n n n f f f f f 1.76 a 1.84( n ) 1.8 = 1.8( n) = 1.8(450) = 810 RPM sj CÁLCULO DE EL NÚMERO DE POLOS DEL GENERADOR [ p ] Donde: f frecuencia [Hz=60 ciclos/seg] n velocidad en [rpm] ( f ) 60 2 p = n 60 ( 60) 2 p = 450 p = 16 polos CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL RODETE PELTON Coeficiente de velocidad periférica [ ku ]. Ku = n Ku = (22.86) Ku = 0.45 sj Diámetro del chorro [ Dj ]. Donde φ Eficiencia del chorro [0.976] g aceleración de la gravedad [9.81 m/s 2 ] 72

94 P T Dj = 9.81 η H = Dj = m n caudal chorro (# de chorros)( ef. chorro)( velocidad del agua en caida libre) 2 Dj PT = 9.81 η H n i π φ 2gH PT Dj = 2 Dj 9.81 η H n i π φ 2gH Dj = π Diámetro del rodete [ D2 ]. Dj D D D D = n = sj Dj n sj n [ n ] = = [ m] [ ( 22.86) ] sj sj Relación [ Dj/D2 ]. Dj D 2 Dj D 2 = = Diámetro exterior del rodete [D3]. D D D D = n = = 2.10 [ m] sj [ ( 22.86) ] 73

95 En el grafico Nº 29 siguiente se puede apreciar las medidas D2 y D3 del rodete Pelton calculadas anteriormente. D 2 = Diámetro medio del Rodete. D 3 = Diámetro exterior del Rodete Fuente: Pequeñas Centrales Hidroeléctricas Figura Nº 29 Diámetros D2 y D3 Rodete Pelton Dimensiones del las cucharas del rodete. En el grafico que se muestra a continuación se pude apreciar las dimensiones de las cucharas, del rodete de la turbina H1 (ancho) y H2 (Largo) que se relacionan con las siguientes expresiones: 74

96 Fuente: Pequeñas Centrales Hidroeléctricas Figura Nº 30 Dimensiones de la cuchara Pelton Ancho de la cuchara [ H1 ] en metros. H H H = 3.2Dj = ( ) = m Largo de la cuchara [ H2 ] en metros. H H H = 3.23Dj = 3.23 = 0.54 m 1.02 ( ) Altura [ Hs ] en metros. Es la distancia entre el centro del rodete y el máximo nivel del agua dentro de la carcasa, en la descarga. H H H s s s = = = 2.11 m Q n s

97 Figura Nº 31 Altura de Hs. 4.6 ALTERNATIVA 2: CALCULO REALIZADO POR LA EMPRESA CONSULTORA TRIOLO S.A.. La central Hidroeléctrica Sigchos esta siendo diseñada al momento por la empresa italiana Triolo S.A. por lo que resulta interesante realizar un estudio comparativo de los parámetros de la turbina obtenidos en esta Tesis, Triolo S.A. y una tercera alternativa aplicando las fórmulas planteadas en la Tesis de Grado del Ing. Harry Murray en el Perú. A continuación se presentan los cálculos realizados por los ingenieros consultores, con fines de comparación de los resultados obtenidos POTENCIA DE LA CENTRAL Para determinar la potencia instalada a la salida de la central hidroeléctrica Sigchos, partimos de la conocida relación: PT = Qd H n η T ηg k [kw ] 76

98 Donde: PT = Potencia instalada de la central kw Qd = Caudal de diseño: 7.00 m3/s Hn = Altura neta: m η T = eficiencia de turbina: 0.90 η G = eficiencia de generador: 0.98 kte = 9.81 P P P T T T = Q H η η kte [ kw ] d n T = = kw G POTENCIA POR CADA UNIDAD DE GENERACIÓN. P P U T PT = 2 = 8890 kw VELOCIDAD ESPECÍFICA POR CHORRO [ nsj] n aprox = 85.49H sj n aprox = sj n aprox = sj n ( ) VELOCIDAD ESPECÍFICA TENTATIVA O APROXIMADA DE LA TURBINA [ ns] nsaprox = n aprox = s i n 2 n aprox = s sj aprox ( 21.49) VELOCIDAD DE GIRO TENTATIVA O APROXIMADA [ n] 77

99 n = n s H 5 4 n P KW ( ) n = n = [ rpm] 5 4 Se elije la velocidad sincrónica estandarizada, superior y cercana a , o sea 450 RPM CÁLCULO DE LA VELOCIDAD ESPECÍFICA REAL [ns]. n n n s s s P = n H = 450 = kw 5 4 n 8890 ( ) VELOCIDAD ESPECÍFICA POR CHORRO [nsj]. n n n sj sj sj ns = i = 2 = Parámetros del Rodete Pelton Coeficiente de velocidad periférica. K K K K u u u u = n = = sj ( 24.68) Diámetro del Inyector / Diámetro medio del rodete [Dj/D2]. 78

100 Dj D 2 Dj D 2 Dj D 2 Dj D 2 nsj = n = = sj ( 24.68) Diámetro medio del rodete [D2]. D D D D K = 60 u 0.45 = 60 = = 1.45 [ m] 2gH n π 2 n ( 9.81)( ) 450 π Diámetro del inyector [Dj]. Dj = 0.09 D2 Dj = Dj = 0.13 [ m] Diámetro exterior del rodete [D3]. D D D D = n = 2.14 [ m] [ ( 24.68) ] = sj Dimensiones del las cucharas. Las dimensiones de las cucharas se relacionan con las siguientes expresiones. 79

101 Ancho de la cuchara [ H1 ]. H H H = 3.2Dj = ( 0.17) = [ m] Largo de la cuchara [ H2 ]. H H H = 3.23Dj = ( 0.17) = [ m] Altura [ Hs ]. H H H s s s Q = n s = = 2.09 [ m] ALTERNATIVA 3: Cálculo de las características físicas del rodete Pelton según el documento CONTROLES DE CALIDAD DE LA FABRICACIÓN DE UN RODETE PELTON Tesis del Ingeniero Mecánico. Autor HARRY MURRAY. (Lima Perú) año CALCULO DE LA VELOCIDAD SINCRÓNICA [n]. n = 2 60( f ) Num de polos a) Para un generador de 14 polos: 2 60(60) n = 14 n = rpm 80

102 La velocidad específica n s n n s s 9072 = = Con el valor ns= 40.30, según la Tabla 4 corresponde a una turbina Pelton de tres inyectores. b) Considerando 16 polos: 2 60(60) n = 16 n = 450 rpm La velocidad específica Ns n n s s 9072 = = Con el valor ns= 35.27, según la Tabla 4 corresponde a una turbina tipo Pelton de dos inyectores VELOCIDAD DEL CHORRO DE AGUA A LA SALIDA DE LA TOBERA. Donde Kco= coeficiente de la Tobera (0,95-0,98, se adopta el valor medio 0,97) c c c o o o = kco 2gH = *9.81* = m seg VELOCIDAD TANGENCIAL [U]. Donde Ku= velocidad tangencial =Kco/2,= coeficiente de la tobera/2 81

103 u = ku 2gH u = *9.81* u = m seg CÁLCULO DE LOS DIÁMETROS PRINCIPALES Diámetro del chorro [Dj] Donde: dj= diámetro del chorro j= numero de inyectores Co = velocidad del chorro 4 Q d = * j * c π o d = * π 2 *73.61 d = [ m] Velocidad específica [ns] n s = Velocidad de embalamiento [nf] n n n f f f = 1.8n = = 810 [ rpm] Forma y dimensiones de las paletas o cucharas del rodete. El agua que sale por las paletas debe ser desviada al exterior para no tocar la rueda, los diámetros De y Dp de las ruedas dependen de las proporciones de las paletas; 82

104 generalmente cada fabricante dispone de relaciones empíricas y dadas y que se indican a continuación Diámetro Pelton. Los límites de la razón d = D diametro del chorro diametro de la rueda se encuentra en el rango de: 1 80 < D d < 1 6 En los extremos el funcionamiento es defectuoso por las siguientes razones: 1.- (1/80) el agua tiene un camino largo por recorrer antes de entrar en contacto con las paletas 2.- (1/6) de la experiencia de las fabricaciones demuestra que aumentan las pérdidas en la paletas; los mejores rendimientos se dan para un diámetro de la rueda de 8 a 15 veces Donde: D= Diámetro Pelton d= Diámetro del chorro Kco= coeficiente de tobera=0,97 n= rendimiento o eficiencia de la turbina ns = velocidad especifica de la turbina d D η s = 288 k co = D 288 0,97 * 0,90 D = [ m] * η Diámetro exterior del rodete [De]. Donde: Dp= Diámetro Puntas 83

105 De= Diámetro exterior d= Diámetro chorro D= Diámetro Pelton D D D p p P 7 = D + 2 d 6 7 = = 1.731[ m] D D D e e e = D p + d = = [ m] Número de paletas del rodete. D z = d z = * z = z = Relación de las paletas. Las dimensiones de las paletas son proporcionales al diámetro del chorro, y se muestran en la siguiente figura. 84

106 Fuente: MURRAY Harry, CONTROLES DE CALIDAD DE LA FABRICACIÓN DE UN RODETE PELTON, 2005 Figura Nº 32 Relación de las paletas Profundidad de la cuchara o paleta [A]. A = (0.8 1) d 0.8d < A < 1.0d < A < < A < Largo de la paleta [B]. B = ( ) d 2.25d < B < 2.80d B < < B < Ancho del interior de la paleta [C]. C = ( ) d 1.2d < B < 1.255d < B < < C <

107 Ancho del exterior de la paleta [D]. D = ( ) d 2.6d < D < 3.0d < B < < D < CUADRO RESUMEN COMPARATIVO DE LOS PARÁMETROS CALCULADOS POR LA TURBINA DEL PROYECTO SIGCHOS. CENTRAL HIDROELÉCTRICA SIGCHOS Cálculos según materia Diseño X de la UPS Cálculos datos Ings TRIOLO S.A. Cálculos con tesis Perú ALTERNATIVA 1 ALTERNATIVA 2 ALTERNATIVA 3 Turbina tipo Pelton Pelton Pelton Posición del Eje Horizontal Horizontal Potencia Turbina [kw] Potencia generador [kw] Velocidad especifica aprox ns Velocidad sincrónica aprox rpm Velocidad sincrónica adoptado [rpm] Velocidad de embalamiento 1.8xn 810 rpm Altura [Hs] metros DIMENSIONES DEL RODETE Diámetro medio D2 [m] Diámetro exterior D3 [m] Diámetro del chorro Dj [m] Relacion Dj/D Ancho de la cuchara H1 [m] Largo de la cuchara H2 [m] Numero de paletas 20 20/21 19 Cuadro Nº 16 Resumen de características físicas de Turbina Pelton 86

108 4.7.6 MATERIAL DE LA RUEDA PELTON. Hoy en día los rodetes Pelton se los construye con una combinación de acero de bajo porcentaje de carbón, recubierto con una aleación de cromo níquel de gran pureza de aleación [Cr 13%-Ni 4%], esta aleación se caracteriza sobre todo a la gran resistencia a la corrosión y al desgaste, así como por su soldabilidad y grandes propiedades de imantación necesarias para las pruebas de partículas magnéticas; su dureza promedio se encuentra entre 270HB y 310HB. Por fines informativos se muestra un cuadro de las normas de diversos países aplicables para el acero inoxidable. [Cr-Ni 13-4] utilizado en la fabricación de turbinas y otros equipos. PAIS NORMA DENOMINACIÓN Republica Federal de Alemania DIN N Material X4 Cr Ni 13 4 G-X5 Cr Ni 13 4 Francia AENOR Z4 CND 13 4 Z8 CD Gran Bretaña B.S. 425 C C12 Italia UNI G x 6 Cr Ni 13-4 Japon JIS SCS 5 SCS 6 Suecia S.S 2385 Estados Unidos ANSI/SAE CA 6 NM Cuadro Nº 17 Comparación de las normas internacionales para el acero inoxidable [Cr Ni 13 4] 4.8 GENERADOR SINCRÓNICO GENERALIDADES. En la maquina asíncrona el rotor gira con una velocidad diferente a la del campo magnético del estator; esta diferencia de velocidades permite que se corten las líneas de flujo producidas por el campo magnético del estator y se induzca una fuerza electro motriz (fem). 87

109 La fuerza electro motriz (fem) tendrá una polaridad, si la velocidad del motor es mayor que la del estator, y si la velocidad del rotor es menor la (fem) tendrá una polaridad inversa, en el primer caso es un generador y en el segundo es un motor 21. En la figura simplificada, Nº 33, se observa los tres devanados del estator separados 120º eléctricos y el rotor, que será ensamblado al eje de la turbina Figura Nº 33 Campos magnéticos de un generador sincrónico DISEÑO DE UN GENERADOR. El diseño de un generador movido por una turbina hidráulica depende de algunos factores externos; la mayoría de ellos afectan directamente al diseño mecánico e indirectamente al diseño eléctrico especial. Es posible guardar las características eléctricas dentro de límites aceptados sin embargo algunos de los requerimientos mecánicos pueden necesitar un diseño eléctrico especial. La velocidad normal aproximada está determinada por la turbina; la velocidad sincrónica depende de la frecuencia de generación y el número de polos del generador. Los diseñadores o fabricantes tienen preferencias por algunas velocidades sincrónicas sobre otras, con miras a una mayor flexibilidad en el diseño como por 21 ORTIZ, Ramiro, Pequeñas Centrales Hidroeléctricas.p333, Primera Edición 88