Determinación de la potencia efectiva de las CCHH

DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA EFECTIVA DE LAS CCHH DEL SEIN

Martín Casas Malca

1. OBJETIVO

• Determinación de la potencia efectiva y caudal turbinado, así como el salto neto efectivo de las CC.HH. integrantes del COES.

• El procedimiento se aplicará en los siguientes casos:Cuando una nueva CC.HH, o una nueva etapa

de equipamiento de una hidroeléctrica entra en servicio.

Repotenciación.La potencia de la central pueda haber sufrido un

deterioro relativamente importante mayor al 5%.Periódicamente para valorar el efecto de las

pérdidas de carga en las estructuras hidráulicas.

2. HORIZONTE Y PERIODICIDAD

• La vigencia de los valores determinados de la potencia efectiva de las CC.HH será hasta la fecha en que se realice la siguiente prueba de potencia efectiva.• Los ensayos de potencia efectiva pueden ser

de carácter ordinario y extraordinario:Los ensayos ordinarios se efectuarán solamente al

ingreso de nuevas unidades al COES.Los ensayos extraordinarios, se efectuarán cuando a

juicio del COES o de un Integrante del COES, existan razones para considerar que la potencia de alguna central puede haber sufrido un deterioro relativamente importante o cuando la central ha sido repotenciada.

3. DESARROLLO DEL ENSAYO DE POTENCIA EFECTIVA

• Verificación de Condiciones de EstabilidadLa fluctuación en la potencia no debe de exceder del

±1.5% respecto al valor promedio de los datos registrados.

La fluctuación de la altura bruta de la CC.HH no debe de exceder del ±1.0% respecto al valor promedio de los datos registrados.

La fluctuación de la velocidad de rotación no debe de exceder del ±0.5% respecto al valor promedio de los datos registrados.

La fluctuación del caudal no debe de exceder de ±1.5% respecto al valor promedio de los datos registrados.

La fluctuación del factor de potencia no debe exceder de ±2% del promedio de los datos registrados.

La temperatura en el cojinete del generador y los devanados del estator no deben exceder a las recomendaciones del fabricante de acuerdo a los materiales antifricción (cojinetes)

y aislamiento de los bobinados.

• Inicio y Desarrollo de Ensayos en SitioDuración del Ensayo de Potencia Efectiva. La

medición de la potencia efectiva en principio tendrá una duración no menor de 5 horas de operación continua.

Número de Mediciones. En el ensayo de potencia efectiva se ha considerado registrar 20 mediciones con un período de integración de 15 minutos.

Magnitudes a Medir y Ubicación de los Puntos de Medición. En el Cuadro Nº 1, se indica las magnitudes a medir para la determinación de la potencia efectiva y caudal turbinado (variables primarias) y en el Cuadro Nº 2, se indica las magnitudes a medir para la verificación de las condiciones de estabilidad durante los ensayos (variables secundarias).

Cuadro N°1Variables primarias

Cuadro N°2Variables secundarias

Ubicación de los puntos de medición

• Se debe medir en simultáneo la potencia en bornes de los generadores de la central, la potencia consumida por los auxiliares y la altura bruta.

• Las mediciones de potencia se efectuarán con instrumentos confiables y calibrados, pertenecientes a la propia central, o a la Ejecutora.

• La medición se realizará en estado estacionario, es decir, aquel estado de equilibrio en que las magnitudes a medir no varían con el tiempo, siendo en principio una hora de operación continua.

• Si fracasa el ensayo de comprobación de la potencia efectiva, será necesario realizar un segundo ensayo. Este puede efectuarse inmediatamente a continuación del ensayo fracasado o, en su defecto, ser diferido para otra ocasión.

PROCESO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA EFECTIVA Y CAUDAL TURBINADO

• Determinación de la Potencia Efectiva De las mediciones válidas, se halla el promedio

y éste valor será la potencia efectiva de la unidad hidráulica, según la fórmula siguiente:

La potencia efectiva de la CC.HH será la sumatoria de la potencia efectiva de cada una de las unidades ensayadas que conforman la central, medidas en el mismo período de tiempo, aplicando la siguiente fórmula:

• Determinación del Caudal Turbinado por el Método Directo

Para calcular el caudal turbinado de la central, sobre la base de los resultados del ensayo, se determinará el promedio de las mediciones directas válidas y éste valor será el caudal turbinado de la central hidráulica, según la fórmula siguiente:

• Determinación del Caudal Turbinado por el Método Indirecto

En caso no se pueda efectuar algún método de medición directa del caudal turbinado en una CC.HH, se puede emplear un método indirecto, empleando como información:

La potencia en bornes de generador de cada unidadLa eficiencia del generador.La eficiencia de la turbina.Medición de presión manométrica en las secciones de referencia

aguas arriba y aguas abajo de la turbina.Medición de la cota del nivel de agua en la cámara de carga o

reservorio a presión.

El método indirecto consiste en emplear la información indicada y ecuaciones que relacionan potencia, caudal, salto neto y presiones, para determinar indirectamente el salto neto y el caudal turbinado de cada unidad. Repitiendo para todas las unidades se puede finalmente obtener el caudal turbinado de toda la central hidroeléctrica.

CÁLCULO DE LA POTENCIA EFECTIVA DE LA CENTRAL

HIDROELÉCTRICA MACHUPICCHU

ANTECEDENTES

• La CC.HH Machupicchu, se encuentra ubicada, en la provincia de Urubamba, distrito de Machupicchu, Departamento de Cusco. La casa de máquinas y la subestación se ubican en la margen izquierda del río Vilcanota, estando las turbinas instaladas a una altitud de 1,706.8 metros sobre el nivel del mar.

• La Central Hidroeléctrica Machupicchu, utiliza las aguas del río Vilcanota y cuenta con tres turbinas tipo Pelton de eje vertical, acoplados a generadores síncronos; esta central actualmente opera con un caudal máximo de 31.28 m3/s y una caída bruta de 351.65 metros; el agua llega a la cámara de carga a través de un túnel de aducción de 3.3 km de la cota 2070 m.s.n.m. a la cota 2059.45 m.s.n.m para llegar a la casa de máquinas a través de la tubería forzada.

• El 4 de junio del año 2008, se realizó las mediciones de potencia efectiva, obteniéndose un valor de 87.788 MW, determinado de acuerdo al Procedimiento establecido por el COES PR-18 "Determinación de la Potencia Efectiva de las Centrales Hidroeléctricas del COES SINAC".

• Posteriormente se realizó modificaciones a nivel de las boquillas y por ende de la carrera efectiva de las agujas de los inyectores de los grupos de la central hidroeléctrica Machupicchu, logrando incrementar la potencia de generación en cada uno de los tres grupos. El incremento de la potencia total de la referida central es de aproximadamente 1.21 MW; la cual se requiere demostrar mediante una nueva prueba de Potencia Efectiva de acuerdo al Procedimiento PR-18.

Tabla 1Grupos de Generación Evaluados

Central Hidroeléctrica

Grupos Tipo

Machupicchu

Grupo 1 Turbina Tipo Pelton eje vertical



• Tablas de Resultados

Tabla 2Resultados de la Potencia Efectiva, Altura Neta y

Caudales Hidroeléctrica MachupicchuCentral

Hidroeléctrica

Descripción Altura Neta (m)

Potencia (kW) Caudal (m3/s)

Machupicchu

Grupo 1 348.41 29295.5 9.8504

Grupo 2 348.81 29950.4 10.100

Grupo 3 347.58 29554.5 9.9756

Total Machupicchu - 88800.4 29.9260

Tabla 3Resultados de Variabilidad de Potencia Efectiva

Descripción Rango de Variabilidad (%)

Central Hidroeléctrica Machupicchu

-0.28059 a +0.23915

Tabla 4Resultados de Variabilidad de Altura Bruta

Descripción Rango de Variabilidad (%)


-0.0097 a +0.0028

• Características de los grupos de generación

Datos técnicos de las turbinas

Unidad : Grupo GTA01, GTA02, GTA03Marca : ALSTOMTipo : Turbina Pelton de Eje VerticalNúmero de Inyectores : 5Año de Fabricación : 2001Potencia Nominal : 30MWAltura Neta : 350mCaudal Nominal : 10m3/sVelocidad Nominal : 450RPMVelocidad Embalamiento : 790RPM

Datos técnicos de los generadores

Unidad : Grupo GTA01, GTA02, GTA03Marca : ABB (España) RepotenciadoTipo : SAV 314/92716 (Trifásico)Año de Fabricación : 2001 (Repotenciado)Potencia Nominal : 33 500 kVATensión Nominal : 13 800 V± 5%Corriente Nominal : 1401.50 AFactor de Potencia : 0.90Frecuencia : 60HzVelocidad Nominal : 450 RPMVelocidad de Fuga : 790 RPMMomento de Inercia : 220 Ton-m2Clase de Aislamiento : FServicio : ContinuoNorma : IECProtección : IP23

• Magnitudes medidas

Parámetros eléctricos medidos en la generación y en los servicios auxiliares durante el desarrollo del ensayo fueron:

Potencia activa en bornes de generación (kW)Potencia reactiva en bornes de generación (kVAR)

• Registros continuos de potencia activa (kW), del consumo de potencia de los servicios auxiliares de las unidades de generación ensayadas.

• El período de integración de los medidores electrónicos para cada toma de lectura fue de 15 minutos.

Parámetros hidráulicos

• Los parámetros hidráulicos medidos y controlados durante el desarrollo del ensayo fueron los siguientes:

La presión a la entrada de las tres (03) turbinasEl nivel del agua en la cámara de carga

Parámetros térmicos

• Para la medición de las temperaturas de los cojinetes y de los devanados del estator, se utilizaron los instrumentos de la central ubicados en el panel de la sala de control respectiva.

• Sistemas de medición de parámetros eléctricos

La central cuenta con medidores electrónicos multifunción trifásicos de la marca Power Measurement modelo ION 8500 instalados en bornes de generación para cada unidad de generación, los cuales registran potencia activa y reactiva; los mismos que miden la potencia generada en bornes de generación en 13.8 kV. Para el registro de la potencia se utilizaron los equipos de la propia central. Los datos se registraron con intervalos de 15 minutos durante toda la prueba.

El consumo de los servicios auxiliares de la central fue registrado mediante el medidor multifunción modelo ION 8300 instalados en los puntos de registro de los servicios auxiliares de la central.

• Sistemas de medición de parámetros hidráulicos

Para la medición del nivel aguas arriba, se utilizó el sensor de nivel de la presa de la propia central y mediante el sistema scada de la central, se registraron las lecturas de dicho parámetro.

Durante la inspección en la casa de máquinas, se ubicó los puntos de toma de datos de las presiones al ingreso cada una de las turbinas.

Las cotas de referencia se tomaron de los esquemas de planta proporcionados por EGEMSA.

• Sistemas de medición de parámetros térmicos

Para la medición de las temperaturas de los cojinetes de turbina y devanados del generador, se utilizaron los RTD de cada unidad y se registraron a través del sistema scada de la propia central.

EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS DEL ENSAYO

• Información de los ensayos. Para efectos de ejemplo se consideraran los parámetros de cálculo del grupo N° 1, de la central hidroeléctrica Machupicchu, siendo éstos los siguientes:

• Análisis y cálculo de la altura bruta

La altura bruta de la central hidroeléctrica Machupicchu, fue calculada en función de la cota promedio del nivel de espejo aguas arriba de la central y a la cota en casa de máquinas, referidas al eje del inyector de las turbinas ensayadas, según la ecuación (a):

Entonces, para la Central Hidroeléctrica Machupicchu, tomando los valores promedio registrados se tiene los datos siguientes:

Zccc = 2,059.21 msnmZs = 1,707.80 msnm

Reemplazando, estos datos en la ecuación (a), se tiene una altura bruta promedio 351.41 m.

Hbruta = 2059.21 - 1707.8 = 351.41 m

Variabilidad de la Altura Bruta Central Hidroeléctrica Machupicchu

• Análisis y cálculo de la altura neta

La altura neta para turbinas Pelton de eje vertical está determinado por la siguiente ecuación (b).

• Latitud de la central hidroeléctrica Machupicchu es de 13°21' (Dato tomado del Instituto Geográfico del Perú), la altitud de la central es de 1707.8 msnm.• Para ejemplo de cálculo se tomara los datos

del grupo 1, de la central hidroeléctrica Machupicchu. De la tabla de presiones correspondientes al grupo 1se tiene:

• Reemplazando los datos en la ecuación (b), obtenemos la altura neta del grupo 1, igual a:

Hn = 348.41 m.

• Para el cálculo de las pérdidas de carga se utiliza la ecuación (e).

Donde:Pe : Pérdidas de cargaHb : Altura BrutaHn : Altura Neta

Remplazando los valores del ejemplo, en la ecuación (e) se tiene lo siguiente:

Pérdidas de carga Grupo 1 = Hb - Hn = 351.41 - 348.41 = 3 m

Calculo de la Altura Neta y Caudales Central Hidroeléctrica Machupicchu

• Análisis y cálculo del caudal teórico turbinado

Para el cálculo del caudal turbinado se ha aplicado la siguiente metodología. Fórmula para determinar la potencia de verificación en el conjunto Turbina - Generador, es la mostrada en la ecuación (d).

• Realizando las variaciones del caudal en la ecuación (d) hasta igualar la potencia teórica (Pot. Ver.) con la potencia de ensayo (Pot. Ens.) se obtiene el caudal turbinado y altura neta en la ecuación (b). Los resultados se muestran en la Tabla anterior.

• Análisis y cálculo de la potencia efectiva de la central hidroeléctrica

Potencia efectiva de la central (PE)Se calcula como el promedio de las sumatorias de potencia activa instantánea registrada por los medidores de energía (cada 15 min.) para cada unidad de generación durante el tiempo de duración de la prueba, es decir:

• kW (Unidad j)i =Valor i-esimo de potencia activa en la unidad j ............... (1)

• PE está dada por la expresión siguiente:

Donde:

i: Valor i-esimoj: El grupo ensayadon: Número de unidadesk: Número de mediciones

De la Tabla , tomamos los valores de Potencia del valor i-esimo a las 13:30 horas, así tenemos:

Esto representa el valor i-esimo a las 13:30 horas de la sumatoria de la potencia activa instantánea de los tres (03) grupos de la central hidroeléctrica Machupicchu.

Potencia Activa Total Central Hidroeléctrica Machupicchu

• De la Tabla anterior, también obtenemos el promedio de la sumatoria de las potencias de la central hidroeléctrica Machupicchu, por lo tanto, la Potencia Efectiva es igual a:

Variabilidad de la Potencia Efectiva Central Hidroeléctrica Machupicchu

• Potencia de servicios auxiliares (PSA)

Es calculada como el promedio de las potencias activas registradas durante el tiempo de duración de la prueba.De los datos obtenidos del acta de ensayo, se tiene que la potencia consumida por los servicios auxiliares de la central hidroeléctrica Machupicchu es igual a:

PSA = 192.4 KW

• Parámetros térmicos durante el ensayo

Grupo 1: Temperatura (° C) de devanados y cojinetes

Descripción

Temperatura de Devanados del

Estator

Temperatura de Cojinetes

Fase U Fase W Fase V MCE MCG

Máximo 85.35 91.56 88.85 73.15 66.18

Mínimo 84.11 90.64 87.92 72.93 65.98

Promedio 84.77 91.21 88.50 73.07 66.05


Descripción


Estator



Máximo 93.65 91.32 95.71 67.25 63.25

Mínimo 92.71 90.40 94.79 66.66 63.05

Promedio 93.18 90.96 95.23 66.98 63.18


Descripción


Estator



Máximo 89.99 92.63 93.13 73.13 61.30

Mínimo 88.93 91.71 92.21 72.92 61.30

Promedio 89.52 92.31 92.79 73.06 61.30

• De los resultados de las temperatura medidas se tiene que los valores registrados en los devanados del estator se encuentran dentro de los rangos normales de operación de los generadores ensayados. Asimismo, las temperaturas de cojinetes están en valores aceptables de operación.

• Resumen de las condiciones de Potencia Efectiva

Resultados de Variabilidad de Potencia Efectiva

DescripciónRango de Variabilidad

(%)


-0.28059 a +0.23915

Resultados de Variabilidad de Altura Bruta

DescripciónRango de

Variabilidad (%)


-0.0097 a + 0.0028

• CONCLUSIONES

La potencia efectiva determinada para la Central Hidroeléctrica Machupicchu es de 88800.4 kW. La altura bruta promedio medida en la central fue de 351.41 m.

La variabilidad de los valores de la potencia efectiva medidos durante el ensayo oscilaron en el rango - 0.28059% a +0.23915%, los cuales no exceden el1.5% establecido en el procedimiento PR-18 del COES.

La variabilidad de la altura bruta durante el ensayo de potencia efectiva de la central Machupicchu, fue de - 0.0097% a +0.0028%, los cuales no exceden el1% establecido en la Norma lEC 41.

Todos los parámetros hidráulicos, mecánicos y térmicos medidos durante el ensayo para determinar la potencia efectiva de la central, se mantuvieron en condiciones estables.

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