FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS...
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UNIVERSIDAD UTE FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E INDUSTRIAS CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA DISEÑO DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN Y ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN BASE A MICROTURBINAS HIDRÁULICAS PARA EL SOPORTE DE ENERGÍA EN LAS ESTACIONES DE BOMBEO Y TANQUES DE LA EPMAPS. TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN MECATRÓNICA JEFFERSON BOLIVAR GUERRERO VALENCIA DIRECTOR: ING. NELSON RAMIRO GUTIÉRREZ SUQUILLO Msc. Quito, Febrero 2019
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UNIVERSIDAD UTE
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN Y
ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN BASE A
MICROTURBINAS HIDRÁULICAS PARA EL SOPORTE DE
ENERGÍA EN LAS ESTACIONES DE BOMBEO Y TANQUES
DE LA EPMAPS.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO EN MECATRÓNICA
JEFFERSON BOLIVAR GUERRERO VALENCIA
DIRECTOR: ING. NELSON RAMIRO GUTIÉRREZ SUQUILLO Msc.
Quito, Febrero 2019
© Universidad UTE 2019.
Reservados todos los derechos de reproducción
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1722123054
APELLIDOS Y NOMBRES: Guerrero Valencia Jefferson Bolívar
DIRECCIÓN: IESS-FUT, Av. Ajaví y Huigra
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: (02)2622900
TELÉFONO MOVIL: 0997585748
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
Diseño de un sistema de generación y almacenamiento de energía eléctrica en base a microturbinas hidráulicas para el soporte de energía en las estaciones de bombeo y tanques de la EPMAPS.
AUTOR O AUTORES: Guerrero Valencia Jefferson Bolívar
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
2019/02/28
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
Ing. Gutiérrez Nelson .Msc
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Mecatrónico
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Este proyecto tuvo como objetivo ayudar a la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento (EPMAPS) en el ahorro en energía eléctrica, enfocándose en utilizar el flujo de agua potable para generar energía y utilizar las tuberías para la instalación de una microturbina. Se enfocó en la información obtenida en el tanque de San José como el caudal, presión y diámetro de tubería para la selección de la microturbina. La microturbina permitirá mantener informado al SCADA utilizado por la Unidad de Mantenimiento Electromecánico y Distribución (UMED) del EPMAPS, debido que la UMED es un distrito, el cual se encarga de la distribución de agua potable en
Quito y mantenimiento de cada una de las estaciones. La microturbina permite mantener alimentado el tablero de control, el cual envía información sobre el estado del tanque de distribución de agua potable de San José de Morán, ubicado en la parroquia de Calderón, al SCADA de la UMED. Este proyecto tendrá un sistema de conmutación, el mismo que permite mantener dos tipos de alimentación y será controlado con un detector de fase para garantizar el funcionamiento y protección de la microturbina y el tablero de control, tendrá un sistema automático y manual por motivos de averías o mantenimientos a la microturbina. También cuenta con un sistema de almacenamiento de energía en casos de emergencia y no tener ningún tipo de alimentación de energía mencionado anteriormente. La microturbina utilizada en este proyecto debe entregar de 2 – 5 KW de potencia, potencia que requiere el tablero de control para funcionar de una manera óptima y confiable.
PALABRAS CLAVES: Almacenamiento de energía, Microturbina, nuevas tecnologías.
ABSTRACT:
The objective of this project was to help the Metropolitan Public Company of Drinking Water and Sanitation (EPMAPS) to save electricity, focusing on using the flow of potable water to generate energy and using the pipes for the installation of a microturbine. It focused on the information obtained in the San José tank as the flow rate, pressure and diameter of the pipe for the selection of the microturbine. The microturbine will keep informed the SCADA used for the Electromechanical Maintenance and Distribution Unit (UMED) of the EPMAPS, because the UMED is a district, which is responsible for the distribution of potable water in Quito and the maintenance of each of the stations. The microturbine allows keep the control board fed, which sends information about the status of the potable water distribution tank of San José de Morán, located in the parish of Calderón, to the SCADA of the UMED. This project will have a switching system, the same that allows to maintain two types of power supply and will be controlled with a phase detector to guarantee the operation and protection of the microturbine and the control board, it will have an automatic and manual system for reasons of breakdowns or maintenance to the microturbine. It also has an energy storage system in cases of emergency and not having
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ...................................................................................................... 1
ABSTRACT .................................................................................................... 2
1 INTRODUCCIÓN .................................................................................... 3
2 METODOLOGÍA ................................................................................... 11
DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS ............................ 12
DETERMINACIÓN DE RESTRICCIONES ............................... 12
DISEÑO DEL SISTEMA ........................................................... 12
SISTEMA MECÁNICO ............................................................. 12
SISTEMA ELÉCTRICO ............................................................ 12
MODELADO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA ......................... 12
VERIFICACIÓN DEL SISTEMA ............................................... 13
DISEÑO DE LA MICRO TURBINA .......................................... 15
SELECCIÓN DE LA BRIDA ..................................................... 23
SELECCIÓN DE LA VÁLVULA DE TIPO COMPUERTA ......... 24
SELECCIÓN DE LA VÁLVULA TIPO Y ................................... 25
3 ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................. 33
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................... 39
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 40
ii
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Clasificación de centrales hidroeléctricas pequeñas ....................... 6
Tabla 2. Simbología de los partes mecánicas. ............................................ 13
Tabla 3. Valores de Diseño de la rugosidad de tubos. ................................ 18
Tabla 4. Valores del coeficiente "K" en pérdidas singulares ........................ 20
Tabla 5. Comparación de datos obtenidos .................................................. 23
Tabla 6. Tipo de Brida deslizante ................................................................ 24
Tabla 7. Tipo de válvula de tipo compuerta ................................................. 24
Tabla 8. Características de válvula de tipo Y .............................................. 25
Tabla 9. Tabla de sección de cable con su respectiva corriente máxima .... 27
Tabla 10. Sección del cable y potencia soportada ...................................... 28
Tabla 11. Costo de la instalación de la micro turbina hidráulica .................. 33
Tabla 12. Calculo de error de la velocidad .................................................. 34
Tabla 13. Calculo de error de la presión ...................................................... 35
Tabla 14. Consumo promedio del tablero de control .................................. 37
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Esquema de una central hidroeléctrica .......................................... 5
Figura 2. Funcionamiento de las centrales hidroeléctricas .......................... 5
Figura 3. Tanque de almacenamiento ........................................................... 7
Figura 4. Turbina Pelton ................................................................................ 8
Figura 5. Turbina Kaplan ............................................................................... 9
Figura 6. Microturbinas hidráulicas ............................................................. 10
Figura 7. Almacenamiento de Energía Eléctrica ......................................... 10
Figura 8. Metodología en V ......................................................................... 11
Figura 9. Diagrama de la instalación mecánica de la micro turbina ............ 13
Figura 10. Micro turbina en funcionamiento. .............................................. 14
Figura 11. Mantenimiento o avería de la micro turbina ............................... 14
Figura 12. Ubicación de la micro turbina ..................................................... 14
Figura 13. Ubicación del sensor de presión ................................................ 15
Figura 14. Especificaciones Técnicas de micro turbina Hydro Regen ........ 22
Figura 15. Dimensiones de la micro turbina seleccionada .......................... 22
Figura 16. Propiedades mecánicas de bridas deslizantes .......................... 24
Figura 17. Diagrama de unifilar del sistema eléctrico .................................. 25
Figura 18. Especificaciones del sistema de control eléctrico ...................... 26
Figura 19. Lógica de control ........................................................................ 29
Figura 20. Circuito eléctrico para el sistema de conmutación ..................... 30
Figura 21. Dispositivos de almacenamiento del EPMAPS .......................... 30
Figura 22. Modelamiento del eje y alabes ................................................... 31
Figura 23. Colocar mallado ......................................................................... 31
Figura 24. Introdución de la velocidad angular de la micro turbina ............. 32
Figura 25. Análisis de velocidad.................................................................. 34
Figura 26. Presion que sufre la micro turbina en la tuberia ......................... 35
Figura 27. Calculo del torque en la micro turbina ........................................ 36
Figura 28. Tarifa de consumo de EEQ ........................................................ 38
iv
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1. Detector de fase ........................................................................ 42
ANEXO 2. Planos del sistema mecánico ..................................................... 43
ANEXO 3. Proceso de información del Ansys ............................................. 44
1
RESUMEN
Este proyecto tuvo como objetivo ayudar a la Empresa Pública Metropolitana
de Agua Potable y Saneamiento (EPMAPS) en el ahorro en energía eléctrica,
enfocándose en utilizar el flujo de agua potable para generar energía y utilizar
las tuberías para la instalación de una microturbina. Se enfocó en la
información obtenida en el tanque de San José como el caudal, presión y
diámetro de tubería para la selección de la microturbina. La microturbina
permitirá mantener informado al SCADA utilizado por la Unidad de
Mantenimiento Electromecánico y Distribución (UMED) del EPMAPS, debido
que la UMED es un distrito, el cual se encarga de la distribución de agua
potable en Quito y mantenimiento d cada una de las estaciones. La
microturbina permite mantener alimentado el tablero de control, el cual envía
información sobre el estado del tanque de distribución de agua potable de San
José de Morán, ubicado en la parroquia de Calderón, al SCADA de la UMED.
Este proyecto tendrá un sistema de conmutación, el mismo que permite
mantener dos tipos de alimentación y será controlado con un detector de fase
para garantizar el funcionamiento y protección de la microturbina y el tablero
de control, tendrá un sistema automático y manual por motivos de averías o
mantenimientos a la microturbina. También cuenta con un sistema de
almacenamiento de energía en casos de emergencia y no tener ningún tipo
de alimentación de energía mencionado anteriormente. La microturbina
utilizada en este proyecto debe entregar de 2 – 5 KW de potencia, potencia
que requiere el tablero de control para funcionar de una manera óptima y
confiable.
Palabras Claves: Almacenamiento de energía, Microturbina, nuevas
tecnologías.
2
ABSTRACT
The objective of this project was to help the Metropolitan Public Company of
Drinking Water and Sanitation (EPMAPS) to save electricity, focusing on using
the flow of potable water to generate energy and using the pipes for the
installation of a microturbine. It focused on the information obtained in the San
José tank as the flow rate, pressure and diameter of the pipe for the selection
of the microturbine. The microturbine will keep informed the SCADA used for
the Electromechanical Maintenance and Distribution Unit (UMED) of the
EPMAPS, because the UMED is a district, which is responsible for the
distribution of potable water in Quito and the maintenance of each of the
stations. The microturbine allows keep the control board fed, which sends
information about the status of the potable water distribution tank of San José
de Morán, located in the parish of Calderón, to the SCADA of the UMED. This
project will have a switching system, the same that allows to maintain two types
of power supply and will be controlled with a phase detector to guarantee the
operation and protection of the microturbine and the control board, it will have
an automatic and manual system for reasons of breakdowns or maintenance
to the microturbine. It also has an energy storage system in cases of
emergency and not having any kind of power supply mentioned above. The
microturbine used in this project must deliver 2 to 5 KW of power, which
requires that the control board works optimally and reliably.
Keywords: Energy storage, Microturbina, new technologies.
3
1 INTRODUCCIÓN
3
Diseñar un sistema de generación y almacenamiento eléctrico en base a
microturbinas hidráulicas para el soporte de energía en las estaciones de
bombeo y tanques de la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y
Saneamiento (EPMAPS).
Todos los proyectos realizados por la EPMAPS han sido implementados tanto
para el autoconsumo en sus instalaciones de tratamiento de aguas, como para
la comercialización de sus excedentes, por lo que se puede decir que la
empresa de agua de Quito es autosuficiente en cada una de sus plantas de
potabilización. Ante la interrogante de qué se debe hacer para mejorar estos
sistemas de autoconsumo, surge un problema evidente que es la incapacidad
de proveer de energía eléctrica a las distintas estaciones de bombeo y
tanques ubicados en varios puntos de la capital, las mismas que se
encuentran abastecidas por la Empresa Eléctrica de Quito EEQ (EEQ). Esto
no debería ser un gran inconveniente, sin embargo, debido a los cortes
energéticos constantes por parte de dicha empresa, en determinados
momentos se termina produciendo una falta de suministro eléctrico que
origina que estas plantas se ven afectadas en sus operaciones para el
funcionamiento adecuado de los sistemas de automatización y control en la
distribución de agua, por lo que, resultaría de gran ayuda proveer de un
sistema de soporte temporal que permita abastecer de energía eléctrica a
cada una de estas estaciones y tanques. De momento se cuenta con un
conjunto de baterías, pero las mismas no duran más de dos horas, lo que
resulta insuficiente para mantener las operaciones de transmisión de agua
potable durante los cortes energéticos por parte de la Empresa Eléctrica.
La autogeneración eléctrica dentro de la EPMAPS ha sido uno de sus
principales objetivos desde hace ya más de 56 años, y es este el motivo por
el cual el presente proyecto consiste en proveer un sistema optimizado de
almacenamiento eléctrico en sus estaciones de bombeo y tanques a fin de
permitir tener una medida paliativa y temporal para sus tableros de control en
caso de darse algún corte energético por parte de la EEQ.
Toda empresa de agua potable capaz de generar su propia energía eléctrica
debe lograr mantener la operatividad en todas las etapas de sus procesos,
desde la recolección y saneamiento hasta la distribución y posterior entrega
de agua, por lo que la implementación de un sistema generador de energía
eléctrica almacenable mediante microturbinas hidráulicas resultaría
indispensable dentro de todos los derivativos que puedan existir para tener
una constante mejora y así, seguir siendo una empresa pionera en los
servicios de agua potable.
Objetivos específicos del proyecto son:
Definir el consumo de energía eléctrica en el tablero de control.
Determinar los parámetros hidráulicos.
4
Analizar y determinar la microturbina hidráulica necesaria para la
generación del potencial requerido en el generador eléctrico.
Diseñar un sistema de generación de energía eléctrica.
Realizar el diseño de un sistema de almacenamiento de energía
eléctrica.
Validar el sistema de generación de energía eléctrica por medio de
simulación.
Energía Eléctrica
Empezando por la definición del término “Energía” se puede decir que es la
capacidad que posee un cuerpo en cualquier estado para realizar una
determinada acción o trabajo. Todo cuerpo contiene una cantidad de energía
en función de su movimiento y de su posición en relación de todas las fuerzas
que actúan sobre él.
La energía eléctrica es una forma muy conocida y utilizada de energía que
resulta de la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos una vez puestos
en contacto mediante un conductor eléctrico. La mayoría de energías
existentes y aprovechables obtenidas de la naturaleza tienden a
transformarse en este tipo de energía debido a que es la de mayor consumo
a nivel mundial (EPMAPS, Línea de trasmisión eléctrica., 2017).
Central hidroeléctrica
La generación eléctrica se obtiene mediante centrales de generación de varios
tipos como por ejemplo centrales eólicas, centrales de captación solar,
centrales de biomasa, o la más conocida de todas, centrales hidráulicas. Son
estas centrales las que nos interesan para este proyecto, ya que la empresa
de agua de Quito posee una gran cantidad de líquido en sus canales de
captación y distribución, la cual es utilizada para la generación de su propia
energía eléctrica. Para entender un poco mejor como se genera la electricidad
a partir de un sistema hidráulico es necesario empezar esquematizando todos
los procesos que intervienen en esta transformación de energía, las mismas
que se detallan en la Figura 1.
5
Figura 1. Esquema de una central hidroeléctrica
(National Instruments, 2014)
En general, estas centrales aprovechan la energía potencial (gravitatoria) que
posee una masa determinada de agua encausada a desnivel hacia una
turbina hidráulica que consta de dos acumuladores de fluidos para ejercer la
presión adecuada en la misma. Esta presión genera un movimiento rotacional
en la turbina que se encuentra conectada de forma mecánica a un generador
eléctrico convencional conformado por un rotor y un estator, produciendo así,
un campo magnético el cual es aprovechado para producir corriente alterna
(Ortiz, 2014).
Funcionamiento de las centrales hidroeléctricas
Una planta hidroeléctrica significa una serie de obras de ingeniería hidráulica
posicionadas en una cierta sucesión, la mismas que se detallan en la Figura
2, junto con una serie de máquinas adecuadas con el fin de obtener la
producción de electricidad a partir de masas de agua en movimiento. El agua
se transporta a una o más turbinas que giran gracias a la presión del agua.
Cada turbina está acoplada a un alternador que transforma el movimiento de
rotación en energía eléctrica (SOLAR, 2014).
Figura 2. Funcionamiento de las centrales hidroeléctricas
(Hervás, 2014)
Micro central hidroeléctrico
Las terminologías dentro de lo que concierne al aprovechamiento útil de
energía nos permiten clasificar a cada tipo de generación energética en
función de su potencia producida. No existe un conceso para definir lo que es
una pequeña central hidroeléctrica, sin embargo, existen varios criterios
6
utilizados para definir a una generadora en función de su potencial, como se
detalla en la Tabla 1.
Tabla 1. Clasificación de centrales hidroeléctricas pequeñas
Potencia (kW) Tipo
0 – 50 Micro central
50 – 500 Mini central
500 - 5000 Pequeña central
(UCA – Ciencias Energéticas y Fluídicas, 2009)
Estaciones de bombeo
Las estaciones de bombeo son áreas en donde se encuentran instalados un
conjunto de sistemas dedicados a elevar los niveles energéticos de un fluido
para que en ellos se ejerza una mayor presión a través de un conjunto de
tuberías. También cuenta con una o varias bombas con sus correspondientes
pozos de bombeo, tuberías de succión y descarga. La finalidad es la de
proporcionar al líquido, la energía suficiente para poder ser transportado
mediante un conducto a presión, desde un punto de menor cota a uno de
mayor cota.
En la ciudad de Quito existen actualmente 31 estaciones de bombeo que se
encargan de abastecer los tanques más altos del sistema de distribución
(Criollo, 2014).
Tanques de almacenamiento de agua
Los tanques de agua son elementos prioritarios dentro de una red de
abastecimiento de agua potable en una ciudad, como se puede observar en
la Figura 3. Permiten compensar la variación de la demanda de agua existente
en horas específicas, permitiendo de esta manera que las plantas de
tratamiento trabajen a un caudal constante. Cuando existe un menor consumo
de agua potable, estos tanques se llenan y cuando la demanda se extiende
hasta los máximos niveles establecidos en el diseño del tanque, este se vacía.
De esta manera, se logra obtener una distribución adecuada del líquido vital
en una determinada zona.
7
Figura 3. Tanque de almacenamiento
(EPMAPS, 2017)
En la ciudad de Quito, la EPMAPS cuenta con más de 200 tanques ubicados
en puntos estratégicos, los cuales son encargados de abastecer las redes
existentes.
En total, sumando los volúmenes de todos los tanques, se tiene una
capacidad de almacenamiento de más de 350.000 m3, lo que representa
aproximadamente el 60% del volumen diario necesario para alimentar toda la
ciudad (EPMAPS, Sistemas de distribución, 2017).
Turbinas hidráulicas
La turbina hidráulica es el elemento clave de una micro central. Aprovecha la
energía cinética y potencial que contiene el agua, transformándola en un
movimiento de rotación, que transferido mediante un eje al generador produce
energía eléctrica. Existen diferentes tipos de turbinas. El tipo más apropiado
para un proyecto depende de las condiciones topográficas e hidrológicas del
sitio, siendo el caudal y caída las más importantes (TRAXCO, 2014).
Tipos de turbinas hidráulicas
La turbina hidráulica es el equipo esencial de una central hidroeléctrica. A
partir de la energía cinética y potencial que posee el agua, se consigue una
energía mecánica que se transfiere a un eje conectado a un generador que
produce energía eléctrica.
Las turbinas hidráulicas se clasifican en dos grupos: turbinas de acción y
turbinas de reacción (CEUPE, 2015).
8
Turbinas de acción
El estator de una turbina de acción opera en aire y se propulsa por la energía
cinética del agua que lo impacta a alta velocidad, provocada por uno o más
chorros de agua. El agua está a presión atmosférica antes y después del
contacto con el estator, por lo tanto, sólo se necesita una cubierta para
controlar el chapoteo del agua y prevenir accidentes. Este tipo de turbina es
muy apropiada para sitios con pequeños caudales y grandes caídas, un
escenario común para proyectos micro-hidráulico.
Turbina Pelton: una de las más eficientes energéticamente. Consiste
en una rueda que está rodeada por una serie de palas o cucharas que
son las encargadas de soportar la caída del agua. Las Pelton son unas
turbinas de flujo transversal y su esquema se muestro en la Figura 4.
Figura 4. Turbina Pelton
(López, 2011)
Microturbinas Pelton: Se usan en zonas rurales aisladas donde se
aprovechan los recursos hidroenergéticos que existen en pequeños
ríos o quebradas para transformarlos en energía mecánica o eléctrica.
Para hacer posible este proceso se tiene que hacer un grupo de obras
así como obtener equipos especiales, estos se dividen normalmente
en tres grupos: obras civiles, equipo electromecánico y redes eléctricas
(López, 2011).
Turbinas de reacción
En este tipo de turbina, el elemento de rotación o estator está totalmente
sumergido en el agua y encerrado en una caja de presión. El flujo del agua
sobre las aspas causa diferencias de presión del agua que hacen girar al
estator. La velocidad de rotación de las turbinas de reacción en comparación
con turbinas de acción y bajo las mismas condiciones de caudal y caída, es
alta. Esto hace que una turbina de reacción muchas veces se pueda acoplar
directamente al generador sin necesidad de un sistema que incremente la
velocidad. Algunos fabricantes producen combinaciones de turbina y
9
generador, lo cual ayuda a disminuir el costo y simplifica el mantenimiento
(López, 2011).
Turbina Kaplan, es una turbina de flujo axial, se puede observar en la
Figura 5, con una forma muy parecida a la hélice de un barco. Tiene la
peculiaridad de que sus hélices son regulables, por lo tanto se adapta
a diferentes saltos de agua y caudales.
Figura 5. Turbina Kaplan (TRAXCO, 2014)
Turbina Francis, es la más utilizada en las centrales hidroeléctricas,
ya que su diseño permite adaptarse a los caudales de agua y a los
diferentes saltos de agua. Además, es la más eficiente
energéticamente. En su caso, el flujo es mixto, a medio camino entre
la Kaplan y la Pelton (SOLAR, 2014).
Microturbinas hidroeléctricas
Las microturbinas poseen potencias entre 0 a 50kW y son muy útiles para
suministrar electricidad a zonas alejadas, como también a lugares, plantas o
estaciones que sufran de cortes continuos de energía por parte de una red
eléctrica. Además, su impacto ambiental es prácticamente nulo, ya que para
su utilización no es necesaria la construcción de presa alguna. Para su
funcionamiento necesitan una altura de 5 a 30 m entre el canal de
abastecimiento y el desagüe, y un caudal que varía en función de la potencia
a generar, de 35 a 500 l/s, como se puede observar en la Figura 6 (Ortiz,
2014).
10
Figura 6. Microturbinas hidráulicas
(Micro Hydro Power, 2017)
Almacenamiento de Energía Eléctrica
El almacenamiento es un sistema o dispositivo que permite acumular energía
para su uso en un momento posterior ya sea a corto o largo plazo, de forma
intensiva o de forma mantenida en el tiempo. Los diferentes tipos de
almacenamiento se diferencian entre sí por las diferentes clases de energía
almacenada, por las diferentes clases de energía recuperada, y por el
diferente nivel de eficiencia del proceso y transformación de la energía.
Los sistemas de almacenamiento pueden conectarse como unidades
convencionales de generación, por ejemplo, el bombeo hidráulico. También
pueden conectarse como unidades reguladoras de frecuencia a través de
interfaces DC - AC aplicadas a baterías o como unidades que aseguren un
sistema estable inmune a interrupciones de potencia y capaces de atenuar
picos y micro cortes de tensión o, mediante doble conversión AC - DC y DC -
AC, definir la forma de onda y constituir a partir del adecuado aislamiento
eléctrico un auténtico cortafuegos de protección de la red para ciertas
instalaciones, como se muestra en la Figura 7 (REVISTEL, 2016).
Figura 7. Almacenamiento de Energía Eléctrica
(REVISTEL, 2016)
11
2 METODOLOGÍA
11
Para el desarrollo de un proyecto Mecatrónico se pueden utilizar varias
técnicas de desarrollo o métodos para el desarrollo de dicho proyecto. El
propósito de seguir una metodología para la elaboración de proyectos en
mecatrónica para desarrollar un sistema de diseño concurrente que abarca la
ingeniería en mecatrónica.
2.1. METODOLOGÍA EN V
El modelo en V es una metodología utilizada para el desarrollo de proyectos
mecatrónicos ya que permite la verificación y retroalimentación de cada uno
de los pasos que se irá dando en el proceso, para que, de esta manera se
puedan conseguir resultados con una sustentación teórica y un diseño
concurrente. Como se indica en la Figura 8.
Figura 8. Metodología en V
(UDT-IA, 2012)
La metodología en V ayudará con la presentación gráfica del ciclo de vida del
desarrollo del sistema (REVISTEL, 2016).
Para la elaboración de este trabajo de titulación se aplicán todos los
elementos que comprende la metodología en V.
12
DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS
Diámetro de la tubería:12 pulgadas
Tiempo de trabajo: 24 horas
Potencia : 40Kwh/día
Voltaje: 220 Vac
DETERMINACIÓN DE RESTRICCIONES
Material para la turbina.
Caudal de ingreso al tanque que varía entre 110 a 150 L/s.
La presión de ingreso al tanque que varía entre 160 a 200 psi.
DISEÑO DEL SISTEMA
Para este proyecto estará compuesto por tres sistemas:
Sistema mecánico
Sistema eléctrico
Sistema de control
Cada una de estos sistemas llevará sus propios elementos para lo cual se
tendrá una idea de desarrollo acompañados de diagramas unifilares para su
mejor comprensión.
SISTEMA MECÁNICO
Para el diseño mecánico se debe de tomar en cuenta el caudal presente en la
tubería de 12 pulgadas y la presión que existe dentro del sistema aguas abajo.
Hay que tomar en cuenta que es agua potable para lo cual se recomienda
acero inoxidable para el diseño.
SISTEMA ELÉCTRICO
Para la elaboración del sistema eléctrico se deben estudiar los diagramas
unifilares que posee el tablero de control de la estación de trabajo para poder
realizar la instalación del sistema eléctrico de la micro turbina y realizar un
sistema de conmutación para la alimentación del tablero.
MODELADO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA
Para el modelado y simulación del proyecto se lo realizará en un software
CAD, en el cual se podrá elaborar el modelado mecánico y verificar el
funcionamiento de la micro turbina desarrollada.
13
VERIFICACIÓN DEL SISTEMA
Para la verificación del sistema se lo realizará con un software CAE con el
cual nos permite un estudio de elementos finitos y la simulación de la micro
turbina para tener en cuenta todo los posibles errores que puedan obtenerse
en el proyecto.
2.2. DISEÑO MECÁNICO
Para el desarrollo del trabajo de titulación se realizará como caso de estudio
a EPMAPS; esta empresa se encarga del tratamiento y distribución de agua
potable al Distrito Metropolitano de Quito cumpliendo con las normativas INEN
de requisitos del agua potable para consumo humano y BPM para la
prevención mediante planes de seguridad del agua e inspecciones.
La empresa utiliza estaciones en las cuales almacenan el agua potable para
lo cual ingresa al tanque por medio de tuberías, donde el agua fluye de una
manera permanente. Este trabajo tiene como prioridad el aprovechamiento de
la energía cinética del agua potable que fluye por la tubería hacia el
almacenamiento del tanque.
Para el diseño mecánico se procede a realizar un diagrama el mismo que se
indica en la Figura 9, para tener en cuenta como deben ir colocados cada uno
de los elementos mecánicos para la instalación del sistema de micro turbinas.
Figura 9. Diagrama de la instalación mecánica de la micro turbina
En donde:
Tabla 2. Simbología de los partes mecánicas.
Tanque
Válvula Compuerta
Válvula Y
Microturbina Hidráulica
Brida Deslizante
14
Se debe tomar en cuenta que el tanque no es parte del diseño mecánico.
Primer caso.- Flujo del agua con la micro turbina funcionando, la cual se
muestra en la Figura 10 (Estado normal).
Figura 10. Micro turbina en funcionamiento.
Segundo caso.- Flujo del agua en mantenimiento o avería de la micro turbina
se observa en la Figura 11 (Estado de falla o mantenimiento).
Figura 11. Mantenimiento o avería de la micro turbina
El lugar donde se debe colocar la micro turbina hidráulica se indica en la
Figura 12.
Figura 12. Ubicación de la micro turbina
15
DISEÑO DE LA MICRO TURBINA
Para la selección de la micro turbina se debe tomar en cuenta
El caudal
La presión
El diámetro de la tubería.
Se obtiene a partir de los valores dados por el contratista, el cual varía de
0.15 [𝑚3
𝑠] (150 [
𝑙
𝑠 ]) a 0.11 [
𝑚3
𝑠] (110 [
𝑙
𝑠] ).
Primero se debe calcular la potencia que puede generar el caudal de agua
para la selección de una micro turbina que cumpla con todas las
especificaciones técnicas entregadas por la EMPAPS.
Se procede a calcular la pérdida de presión producida por la distancia, desde
la ubicación del sensor, la misma que se indica en la Figura 13, a la ubicación
donde se requiere colocar la microturbina, la cual es de 5m para realizar los
cálculos respectivos.
Figura 13. Ubicación del sensor de presión
Para hallar la velocidad del agua para el ingreso a la micro turbina se emplea
la siguiente ecuación:
𝑸 = 𝑨 × 𝒗
[ 1]
Donde:
𝑄 = Caudal.
𝐴 = Área de la sección de la tubería.
𝑣 = Velocidad del fluido al inicio de la tubería.
16
Para lo cual se toma en cuenta el diámetro de la tubería de 12
pulgadas(0.305 𝑚) y se obtiene la siguiente ecuación:
𝑄 = 𝑣 ×𝑑2 × 𝜋
4
[ 2]
Donde:
𝒅 = Diámetro de la tubería (𝑚)
Entonces se procede a calcular la velocidad con el caudal máximo 0.15 [𝑚3
𝑠]
𝑄1 = 𝑣1 ×𝑑2 × 𝜋
4
0.15 [𝑚3
𝑠] = 𝑣1 ×
(0.305 [𝑚])2 × 𝜋
4
𝒗𝟏 = 𝟐. 𝟎𝟓 [𝒎
𝒔]
Después se calcula la velocidad con el caudal mínimo de 0.11 [𝑚3
𝑠]
𝑄2 = 𝑣2 ×𝑑2 × 𝜋
4
0.11 [𝑚3
𝑠] = 𝑣2 ×
(0.356 [𝑚])2 × 𝜋
4
𝒗𝟐 = 𝟏. 𝟓𝟏 [𝒎
𝒔]
A continuación se presenta el cálculo de la potencia del sistema: (Recursosbiblio, 2014)
𝑃𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 = (𝑃 − ∆𝑃 )𝑄 × 0.0167[𝐾𝑤] [ 3]
Donde:
𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 = La potencia del sistema.
𝑃= La presión del sistema.
∆𝑃 = La pérdida de presión en la tubería.
𝑄 = Caudal.
Para calcular la potencia del sistema se debe hallar la pérdida de carga con
la siguiente ecuación: (Perez, 2015)
17
∆𝑃 = 𝑓𝑣2
2𝑔
𝐿𝑒𝑞
𝑑[𝑚. 𝑐. 𝑎] [ 4]
Donde:
∆𝑃= Perdida de presión del sistema.
𝑓= Coeficiente de fricción en la tubería.
𝐿𝑒𝑞= Longitud equivalente de la tubería del sistema.
𝑣 = Velocidad del fluido.
𝑑 = Diámetro de la tubería.
𝑔= Gravedad.
Para hallar la pérdida de carga es necesaria saber el tipo de fluido con el que
se va a trabajar para lo cual se deberá utilizar la ecuación de Reynolds:
𝑅𝐸 = 𝑑 × 𝛿 × 𝑣
𝜇 [ 5]
Donde:
µ= viscosidad del agua (centipoise)
Se debe calcular el Número de Reynolds con la velocidad máxima y la
velocidad mínima.
𝑅𝐸1 = 𝑑 × 𝛿 × 𝑣1
𝜇
𝑅𝐸1 = 0.305 [𝑚] × 1000 [
𝑘𝑔𝑚3] × 2.05 [
𝑚𝑠 ]
0.001 [𝑐𝑃]
𝑹𝑬𝟏 = 𝟔𝟐𝟓𝟐𝟓𝟎
Por lo tanto el fluido es turbulento
𝑅𝐸2 = 𝑑 × 𝛿 × 𝑣2
𝜇
𝑅𝐸2 = 0.305 [𝑚] × 1000 [
𝑘𝑔𝑚3] × 1.51 [
𝑚𝑠 ]
0.001 [𝑐𝑃]
𝑹𝑬𝟐 = 𝟒𝟔𝟎𝟓𝟓𝟎
Por lo tanto, el fluido es turbulento.
Se procede a calcular la rugosidad relativa del material con la siguiente
ecuación:
18
휀𝑟 = 휀
𝑑 [ 6]
Donde
𝜺𝒓= Rugosidad relativa
𝜺= Rugosidad absoluta del material de la tubería.
La tubería es de acero al carbón ASTM A53 para lo cual se usa acero
comercial o soldado para esto se utilizan los siguientes valores que muestra
la Tabla 3.
Tabla 3. Valores de Diseño de la rugosidad de tubos.
Material Rugosidad (m) Rugosidad (ft)
Vidrio Liso Liso
Plástico 3,0x10-7 9,8x10-7
Tubo extruido, cobre, latón y acero 1,5x10-6 4,9x10-6
Acero comercial o soldado 4,6x10-5 1,5x10-5
Hierro galvanizado 1,5x10-4 4,9x10-4
Concreto, bien fabricado 1,2x10-4 3,9x10-4
Acero remachado 1,8x10-4 5,9x10-4
(Mott, MECÁNICA DE FLUIDOS, 2006)
En donde el valor 𝜺 = 𝟒. 𝟔 × 𝟏𝟎−𝟓[𝒎]
Entonces la rugosidad relativa es:
휀𝑟 = 4.6 × 10−5 [𝑚]
0.305 [𝑚]
𝜺𝒓 = 𝟏. 𝟓𝟎𝟖 × 𝟏𝟎−𝟒
Al hallar la rugosidad relativa se procede a calcular el factor de fricción con la
siguiente ecuación (Perez, 2015)
𝑓 = 0.001375 [1 + (200휀𝑟 +106
𝑅𝐸)
13⁄
] [ 7]
Factor de fricción 𝑓 para el caudal máximo
𝑓1 = 0.001375 [1 + (200 × 1.508 × 10−4 +106
625250)
13⁄
]
𝒇𝟏 = 𝟐. 𝟗𝟗𝟑 × 𝟏𝟎−𝟑
Factor de fricción 𝑓 para el caudal mínimo
19
𝑓2 = 0.001375 [1 + (200 × 1.508 × 10−4 +106
460550)
13⁄
]
𝒇𝟐 = 𝟑. 𝟏𝟔𝟒 × 𝟏𝟎−𝟑
Se procede a calcular la perdida de presión de la tubería:
Pérdida de carga para el caudal máximo
∆𝑃1 = 𝑓1
𝑣12
2𝑔
𝐿𝑒𝑞
𝑑[𝑚. 𝑐. 𝑎]
∆𝑃1 = 2.993 × 10−3 ×(2.05 [
𝑚𝑠
])2
2 (9.8 [𝑚2
𝑠 ])×
5 [𝑚]
0.305 [𝑚]
∆𝑃1 = 10.52 × 10−3 [𝑚. 𝑐. 𝑎]
∆𝑷𝟏 = 𝟏𝟎𝟑. 𝟏𝟓𝟗 [𝑷𝒂]
Pérdida de carga para el caudal mínimo
∆𝑃2 = 𝑓2
𝑣22
2𝑔
𝐿𝑒𝑞
𝑑[𝑚. 𝑐. 𝑎]
∆𝑃2 = 3.164 × 10−3 ×(1.51 [
𝑚𝑠 ])2
2 (9.8 [𝑚2
𝑠 ])×
5[ 𝑚]
0.305 [𝑚]
∆𝑃2 = 6.032 × 10−3 [𝑚. 𝑐. 𝑎]
∆𝑷𝟐 = 𝟓𝟗. 𝟏𝟓𝟓 [𝑷𝒂]
Ahora se debe calcular la pérdida de presión en los accesorios, es decir, codo
de 90° con la siguiente ecuación: (Vera, 2015)
∆𝑃𝑠 = 𝐾 (𝑣2
2𝑔) [𝑃𝑎] [ 8]
Donde:
∆𝑃𝑠= Pérdida de presión de los accesorios.
𝐾= Coeficiente de pérdida.
20
Para lo cual se utiliza la Tabla 4 para un codo de 90°
Tabla 4. Valores del coeficiente "K" en pérdidas singulares
Singularidad K L/D
Válvula esférica(totalmente abierta) 10 350
Válvula en ángulo recto(totalmente abierta) 5 175
Válvula de seguridad (totalmente abierta) 2,5 -
Válvula de retención (totalmente abierta) 2 135
Válvula de compuerta (totalmente abierta) 0,2 13
Válvula de compuerta (abierta3/4) 1,15 35
Válvula de compuerta (abierta1/2) 5,6 160
Válvula de compuerta (abierta1/4) 2,4 900
Válvula de mariposa (totalmente abierta) - 40
T por salida lateral 1,80 67
Codo a 90º de radio corto (con brida) 0,90 32
Codo a 90º de radio normal (con brida) 0,75 27
Codo a 90º de radio grande (con brida) 0,60 20
Codo a 45º de radio corto (con brida) 0,45 -
Codo a 45º de radio normal (con brida) 0,40 -
Codo a 45º de radio grande (con brida) 0,35 -
(Vera, 2015)
Pérdida de presión de accesorios para el caudal máximo
∆𝑃𝑠1 = 0.75 ((2.05 [
𝑚𝑠 ])2
2 × 9.8 [𝑚2
𝑠 ])
∆𝑷𝒔𝟏 = 𝟎. 𝟏𝟔𝟏 [𝑷𝒂]
Pérdida de presión de accesorios para el caudal mínimo
∆𝑃𝑠2 = 0.75 ((1.51 [
𝑚𝑠 ])2
2 × 9.8 [𝑚2
𝑠])
∆𝑷𝒔𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟖𝟕[ 𝑷𝒂]
Para desarrollar el sistema de generación de energía eléctrica producida por
una micro turbina se deberá calcular la potencia teórica que genera el sistema
de abastecimiento del tanque de agua potable para esta se utiliza la ecuación
3.
21
Potencia con la presión máxima y caudal máximo
𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎1 = (1.379 × 106 − 103.1548 − 0.161 )[𝑃𝑎] × 0.15 [𝑚3
𝑠] × 0.0167
𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎1 = 3454.1362 [𝑊]
𝑷𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂𝟏 = 𝟑. 𝟒𝟓 [𝒌𝑾]
Potencia con la presión mínimo y caudal mínimo
𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎2 = (1.103 × 106 − 59.155 − 0.087 )[𝑃𝑎] × 0.11 [𝑚3
𝑠] × 0.0167
𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎2 = 2026.1022 [𝑊]
𝑷𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒂𝟐 = 𝟐. 𝟎𝟑 [𝒌𝑾]
Una vez encontrada la potencia teórica se procede a la selección de la micro
turbina con los valores obteniendos, por lo cual, por una búsqueda minuciosa
es la Micro Regen es una micro turbina hidráulica capaz de recuperar energía
a la vez que regula la presión como se muestra en la Figura14.
La selección de la micro turbina también se basa en la disponibilidad en el
país ya que actualmente existen muy pocas empresas que las fabrican debido
a la demanda que existe en este nuevo tipo de tecnología enfocada en la
generación de energía eléctrica alternativa.
22
Figura 14. Especificaciones Técnicas de micro turbina Hydro Regen
(Tecnoturbines, 2016)
Las dimensiones que posee la micro turbina Micro Regen se puede observar
en la Figura 15.
Figura 15. Dimensiones de la micro turbina seleccionada
(Tecnoturbines, 2016)
23
Se verifica si la micro turbina cumple con los parámetro requeridos por la
EPMAPS y los cálculos realizados anteriormente la cual se muestra en la
Tabla 5.
Tabla 5. Comparación de datos obtenidos y especificaciones de la micro turbina.
Datos técnicos de la turbina
Especificaciones de la turbina
Valores obtenidos y cálculos
Cumplimiento
Diámetro de entrada/salida 150 𝑎 350[𝑚𝑚]
305 [𝑚𝑚] Si
Caudal 105 𝑎 510[𝐿 𝑠⁄ ]
110 − 150 [𝐿 𝑠⁄ ] Si
Presión máxima 16[𝑏𝑎𝑟]
11 − 14 [𝑏𝑎𝑟] Si
Potencia de salida 2 𝑎 25[𝐾𝑤]
2.025 − 3.45 [Kw] Si
Ahora se calcula la potencia real con una eficiencia que nos indica el
catalogo, el mismo que se muestra en la figura 14, del 78%:
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑃𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 × ℮ [ 9]
℮ : Eficiencia de la micro turbina.
Potencia mínima:
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙1 = 2.026 [𝐾𝑊] × 78%
𝑷𝒓𝒆𝒂𝒍𝟏 = 𝟏. 𝟓𝟖 [𝑲𝑾]
Potencia máxima:
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙2 = 3.45 [𝐾𝑊] × 78%
𝑷𝒓𝒆𝒂𝒍𝟐 = 𝟐. 𝟔𝟗[𝑲𝑾]
SELECCIÓN DE LA BRIDA
Después de un análisis realizado para el montaje se deberá realizar una
modificación en la tubería para disponer de un bypass del fluido de agua
dentro del sistema en caso de mantenimiento o averías de la micro turbina
hidráulica para lo cual se colocará una válvula tipo Y para que de esta manera
se pueda desviar el caudal y realizar los debidos procesos de mantenimiento
o de reparación de la micro turbina de esta manera evitar que en esta estación
no desabastezca de agua potable.
Una vez conocido el diámetro de la micro turbina hidráulica se procede a la
selección de bridas y válvulas para instalación en la tubería.
24
Debido que el EPMAPS utiliza tuberías de 12 pulgadas en la estación donde
se realizará el proyecto se procede a seleccionar un brida deslizante por su
rápida instalación al sistema, para esta tubería, la cual se muestra en la Tabla
6.
El seleccionamiento del material para las bridas es A -105 debido a su bajo
costo y sus propiedades mecánicas, la misma que se indica en la Figura 16.
En la Tabla 6 podemos observar las características de la brida que se utilizará:
Figura 16. Propiedades mecánicas de bridas deslizantes
(CIFUNSA, 2016)
Tabla 6. Tipo de Brida deslizante
Medida nominal de diámetro(pulg)
Material Diámetro exterior
de la brida Numero de bordes
12 Acero forjado 19 12
SELECCIÓN DE LA VÁLVULA DE TIPO COMPUERTA
Se procede a la selección de un dispositivo mecánico con el cual se puede
iniciar, detener o regular la circulación o pasó del fluido. Para lo cual deberá
ser una válvula de tipo compuerta debido que se utiliza cuando el caudal es
rectilíneo, se puede observar en la Tabla 7.
Tabla 7. Tipo de válvula de tipo compuerta
Medida nominal de diámetro(pulg)
Peso Diámetro exterior Longitud del
volante
12 270 Kg 19 22
25
SELECCIÓN DE LA VÁLVULA TIPO Y
Se debe seleccionar una válvula te tipo Y debido que permite realizar la
elaboración de un sistema de bypass, para garantizar el flujo constante de
agua para el abastecimiento del tanque, para lo cual se puede observar en la
Tabla 8.
Tabla 8. Características de válvula de tipo Y
Medida nominal de diámetro(pulg)
Presión material
12 10.4 bar Hierro dúctil
2.3. DISEÑO ELÉCTRICO
Para el diseño eléctrico se procede a realizar un diagrama el cual se puede
observar en la Figura 17, para tener en cuenta como debe ir colocados cada
uno de los elementos para la instalación del sistema de la micro turbinas.
Figura 17. Diagrama de unifilar del sistema eléctrico
Con la potencia obtenida con los datos ya cálculos es del modelo MICRO
REGEN el cual tiene un sistema de regulación de voltaje el cual está en las
especificaciones del catálogo, se puede observar en la Figura 17 obtenido por
TECNOTURBINAS, la cual tiene los siguientes datos:
Potencia de 1.58 [𝐾𝑊] a 3.471[𝐾𝑊]
El voltaje tiene un sistema de red de 1 fase la cual depende de 180 a
264 Vac.
26
Figura 18. Especificaciones del sistema de control eléctrico
(Tecnoturbines, 2016)
Con estos valores obtenidos se procede a realizar el cálculo de la corriente
para poder seleccionar el tipo de cable a conductor que se debe utilizar.
Para sistemas monofásicos se calcula la corriente con la siguiente ecuación: (Cinjordiz, 2018)
𝐼 =𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑉 × cos ∅[𝐴] [ 10]
Donde:
𝑰 = Corriente para el sistema monofásico. (A)
𝑽 = Voltaje. (V)
𝑷𝒓𝒆𝒂𝒍 = Potencia real de la microturbinas. (KW)
𝐜𝐨𝐬 ∅ = Factor de potencia, la misma que indica la figura 17 .
Corriente máxima:
𝐼1 =𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙1
𝑉 × cos ∅[𝐴]
𝐼1 =1.58 [𝐾𝑊]
220[𝑉] × 0,9
𝑰𝟏 = 𝟕. 𝟗𝟖 [𝑨]
27
Corriente mínima:
𝐼2 =𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙2
𝑉 × cos ∅[𝐴]
𝐼2 =3.471[𝐾𝑊]
220[𝑉] × 0,9
𝑰𝟐 = 𝟏𝟕. 𝟓𝟑 [𝑨]
Con la corriente calculada se procede a la selección del cable que se va a
utilizar para la instalación, utilizando la Tabla 9.
Tabla 9. Tabla de sección de cable con su respectiva corriente máxima
Sección del conductor de cobre según IRAM 2183
Corriente máxima admisible
S(mm2) I(A)
1 9,6
1,5 13
2,5 18
4 24
6 31
10 43
16 59
25 77
35 96
50 116
70 148
95 180
(Cinjordiz, 2018)
Para las corrientes calculadas se debe seleccionar con la corriente máxima y
la más aproximada es 18 [A] donde su sección es de 2.5[mm2].
Es importante calcular la caída de tensión para verificar el cable a utilizar para
la instalación es el correcto, con la siguiente formula: (Cinjordiz, 2018)
∆𝑉 =2 × 𝜌 × 𝐿 × 𝐼 × cos ∅
𝑆[𝑉] [11]
28
Donde:
∆𝑽 = Caída de tensión. [𝑉]
𝑺 = Sección del cable. [𝑚2]
𝝆 = Resistividad del cable de cobre = 0.01724[Ω𝑚𝑚2
𝑚].
𝑳 = Longitud del cable o circuito. [𝑚]
𝐜𝐨𝐬 ∅ = Factor de potencia. El cual se encuentra en el catálogo y es de 0.9-1.
𝑰 = Corriente. [𝐴]
∆𝑽 =𝟐 × 𝟎. 𝟎𝟏𝟕𝟐𝟒 [
Ω𝑚𝑚2
𝑚 ] × 𝟏𝟎[𝑚] × 𝟏𝟕. 𝟓𝟑[𝐴] × 𝟎. 𝟗
𝟐. 𝟓[𝑚𝑚2]
∆𝑽 = 𝟐. 𝟏𝟖 [𝑽]
Después de calcular la caída de tensión y ver que no es muy alta se procede
a la selección de cable con la ayuda de la Tabla 10:
Tabla 10. Sección del cable y potencia soportada
Calibre AWG Corriente soportada (A) Watts soportados 127V
18 10 1270
16 13 1651
14 18 2286
12 25 3175
10 30 3810
8 40 5080 (FACIL, 2015)
Por lo cual se utilizará un cable de número 12, el cual soporta la corriente
anteriormente calculada.
2.4. DISEÑO SISTEMA CONTROL
Se procede a realizar el diagrama de flujo para tener en cuenta la lógica de
control del proyecto, la misma que se indica en la Figura 19.
29
Figura 19. Lógica de control
El sistema de control garantiza el suministro de voltaje que requiere el tablero
de control de la EPMAPS, en donde se va tomar como referencia una de sus
estaciones de trabajo el tanque de San José de Moran el voltaje que trabaja
el tablero de control es de 220 Vac.
Se dotara al sistema de alimentación del tablero con un sistema de
conmutación para garantizar el suministro continuo de energía al tablero de
control. También permitirá realizar los respectivos mantenimientos a la micro
turbina sin tener que dejar sin energía al tablero.
Se utilizara un detector de fase el cual permitirá supervisar el sistema que
permite tener un sistema de conmutación automático y manual para el
mantenimiento de la micro turbina, el mismo que se indica en la Figura 20.
30
Figura 20. Circuito eléctrico para el sistema de conmutación
2.5. SISTEMA DE ALMACENAMIENTO
El tablero de control del tanque de San José de Moran del EPMAPS está
compuesta con un sistema de almacenamiento de energía eléctrica, el cual
cuenta con:
Transformador QUINT DC/DC conmutado en primario para montaje
sobre carril con tecnología SFB (Selective Fuse Breaking), entrada: 24
V DC, salida: 12 V DC/8 A
Conversor CA/CC Encerrado 1 Salida 24V 40 A Entrada 85 ~ 264 VCA.
3 Acumulador de energía, AGM de plomo, tecnología VRLA, 24 V DC,
38 Ah, detección y comunicación automáticas con QUINT UPS-IQ
Por la cual garantiza 3 horas de suministro de energía eléctrica al tablero de
control, se lo puede observar en la Figura 21.
Figura 21. Dispositivos de almacenamiento del EPMAPS
31
2.6. MODELADO Y SIMULACIÓN
Se procede a realizar el modelo del proyecto a través de un software CAD
mostrado en la Figura 22.
Lo que se modela es:
Tubería de 12 pulgadas por donde circula el agua potable
El eje
Los alabes alrededor del eje.
Figura 22. Modelamiento del eje y alabes
Con el modelamiento listo se procede a la importación del proyecto para
posteriormente realizar la simulación en el software CAE.
Con la importación hecha se procede a realizar la tubería en el software y
colocar nombres de las variables para la realización del análisis
Se procede hacer el mallado, la misma que se indica en la Figura 23, esto se
define como el proceso de dividir todo el componente en un número de
elementos para que, cuando se aplique la carga, distribuya la carga
uniformemente.
Figura 23. Colocar mallado
32
Se debe realizar la introducción los datos de ingreso el sistema para la
realización de simulación del proyecto:
Para lo cual primero se coloca la información que requiere la tubería, como es
la presión y ajustar las opciones que nos indica el software.
Se precede a colocar la velocidad a la que se procede a trabajar la micro
turbina, esto se puede observar en la Figura 24, para esto se debe calcular la
velocidad angular donde está siendo sometida la microturbina:
𝜔 =𝑣𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙
𝑟[𝑟𝑎𝑑
𝑠] [12]
Donde:
𝑾: Velocidad angular
𝒗𝒍𝒊𝒏𝒆𝒂𝒍: Velocidad lineal de la tubería
𝒓: Radio de la micro turbina
𝜔 =2.05 [
𝑚𝑠 ]
0.1529[𝑚]
𝝎 = 𝟏𝟑. 𝟒𝟏 [𝒓𝒂𝒅
𝒔] = 𝟏𝟐𝟖. 𝟎𝟓𝟔 [𝑹𝑷𝑴]
Figura 24. Introdución de la velocidad angular de la micro turbina
Con el ingreso de datos realizado se proceden a realizar los cálculos con el
sotfware.
33
3 ANÁLISIS DE RESULTADOS
33
Como resultado se obtuvo la selección de la micro turbina, la cual cumple con
los objetivos propuestos por la EPMAPS y garantizar la comunicación del
tablero de control con el sistema de SCADA de la UMED. Por lo que desarrolló
un sistema de bypass y conmutación, para obtener un cuidado de la micro
turbina en funcionamiento y para su respectivo mantenimiento.
Que tiene las siguientes características:
Tiempo de trabajo de 24 horas los 7 días de la semana.
Capacidad de generación 2.69 Kwh.
Capacidad de generación 220 Vac.
Capacidad de presión de 16 bares.
Usa una turbina tipo Francis.
Capacidad de caudal de 510 L/s.
Cuenta con un sistema manual y automático de conmutación.
Para realizar este tipo de proyecto se debe de tomar en cuenta los costos que
genera esta nueva tecnología de generación de energía eléctrica alternativa,
se realizará el costo que implica este proyecto, el cual se observa en la Tabla
11:
Tabla 11. Costo de la instalación de la micro turbina hidráulica
ELEMENTO CANTIDAD PRECIO UNITARIO PRECIO TOTAL
Micro turbina hidráulica 1 $ 12.934,50 $ 12.934,50
Válvula tipo compuerta 3 $ 150,32 $ 450,96
Válvula tipo Y 1 $ 950,50 $ 950,50
Bridas deslizantes 8 $ 56,90 $ 455,20
Mano de obra 1 $ 500,00 $ 500,00
Detector de fase 1 $ 278,95 $ 278,95
Tubería (6metros) 3 $ 652.36 $1.957,08
$ 17.527,19
Al no existir mucha oferta, la demanda es casi nula. En este tipo de tecnología
debido a su alto costo y que son muy pocas las empresas que proporcionan
información de esta nueva forma de generación de energía eléctrica
alternativa.
Para la validación de resultados se procede analizar el parámetro más
importante que puedan afectar al proyecto, como la velocidad, el torque y la
presión de todo el sistema, para lo cual se utilizará parámetros menos
favorables.
34
3.1. COMPORTAMIENTO DE LA VELOCIDAD
Para lo cual se utilizará el caudal y la presión máxima para el sistema de
generación de energía eléctrica.
Figura 25. Análisis de velocidad
En la Figura 25 muestra la velocidad en la que está actuando, hay que tomar
en cuenta que el software entrega valores constantes.
Tabla 12. Calculo de error de la velocidad
Características Cálculo Simulación Error [%]
Velocidad [m/s] 2,05 2,186 6,63
En la Tabla 12 se puede observar el margen de error, donde el valor de la
simulación es muy similar al calculado, esto se debe al software no considera
algunos parámetros como la forma de la tubería, el materia y el rozamiento
que ejerce con el fluido.
35
3.2. COMPORTAMIENTO DE LA PRESIÓN
Figura 26. Presion que sufre la micro turbina en la tuberia
En la Figura 26 muestra la presión para lo cual se procede a realizar el margen
de error que tiene el sistema.
Tabla 13. Calculo de error de la presión
Características Información Simulación Error [%]
Presión [MPa] 1,379 1,551 12,47
Como como se indica en la Tabla 13, se tiene un error muy considerable esto
se debe a que en el software no está considerando la pérdida de presión que
existe en el proyecto, provocado por la distancia y los accesorios que utiliza
el sistema de tuberías.
36
3.3. COMPORTAMIENTO DEL TORQUE
Figura 27. Calculo del torque en la micro turbina
Como se muestra en la Figura 27 el software permite calcular el torque que
genera la micro turbina el cual es 382.508 N.m, es decir, con este torque se
producirá la potencia máxima, con la siguiente ecuación.
𝑃 = 𝑇 × 𝑊 [13]
𝑃 = 382.508 [𝑁. 𝑚] ×2𝜋 [𝑟𝑎𝑑] × 128.056[ 𝑅𝑃𝑀]
60 [ 𝑠]
𝑷 = 𝟓. 𝟏𝟐𝟗 [𝑲𝒘]
Después de realizar los cálculos se puede observar que la potencia que
entrega la micro turbina es 5.129 [𝐾𝑤], esto se debe a que el software realiza
un estudio puntual, es decir, en el lugar donde se va a realizar el cálculo, por
lo que no considera perdidas de presión, rozamiento del fluido con la tubería.
Según los datos calculados y el tipo de trabajo para la generación de energía
eléctrica que proporciona la micro turbina hidráulica es de:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 = 𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 × 𝑡 [14]
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎1 = 2.691 [𝐾𝑤] × 24[ℎ]
𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂𝟏 = 𝟔𝟒. 𝟓𝟖𝟒[ 𝑲𝒘𝒉]
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎2 = 1.58 [ 𝐾𝑤] × 24[ ℎ]
37
𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂𝟐 = 𝟑𝟕. 𝟗𝟐 [ 𝑲𝒘𝒉]
Se debe analizar el consumo del tablero de control de la estación del
EPMAPS, se lo realizará por medio de una tabla de consumo, la misma que
se muestra en la Tabla 14, que servirá para el cálculo aproximado de consumo
de energía del tablero de control.
Tabla 14. Consumo promedio del tablero de control
El consumo diario del tablero de control de la estación de trabajo del tanque
de San José de Moran es de 35.15 [Kwh], entonces, la energía mínima que
genera la micro turbina es 37.92 [ Kwh] es suficiente para suministrar al
tablero de control.
38
3.4. ANÁLISIS DEL COSTO Y TIEMPO DE RECUPERACIÓN
DEL CAPITAL
Se procede a calcular el costo de la energía eléctrica con ayuda de la Figura
28.
Figura 28. Tarifa de consumo de EEQ
(Quito, s.f.)
𝒄𝒐𝒔𝒕𝒐 = 𝑷[𝑲𝒘𝒉/𝒎𝒆𝒔] × 𝒕𝒂𝒓𝒊𝒇𝒂 [15]
𝒄𝒐𝒔𝒕𝒐 = 𝟏𝟎𝟓𝟒. 𝟔𝟑 × 𝟎. 𝟏𝟔𝟎𝟗
𝒄𝒐𝒔𝒕𝒐 = $ 𝟏𝟔𝟖. 𝟕𝟒 Mensual
Conociendo el consumo y pago mensual de energía eléctrica, tiene un ahorro
de $ 2024.89 anuales con esto se considera que la inversión se recuperará
en aproximadamente 8 años, como podemos evidenciar es una inversión muy
elevado y con un periodo muy largo para la recuperación.
Por lo cual el proyecto no es factible ya que el proyecto debe tener una
ganancia de 8 años.
39
4 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
39
CONCLUSIONES
Este sistema de generación de energía eléctrica alternativa es factible para
este tipo de aplicación debido que se trabaja las 24 horas los 7 días a la
semana, lo que se puede aprovechar de la micro turbina sin la necesidad
de la energía eléctrica que entrega la EEQ, para poder satisfacer la
necesidad de la EPMAPS basada en el aprovechamiento del agua potable
para el consumo energético.
Esta tecnología no está disponible en el país por lo cual es costosa, y la
micro turbina representa un 85% del costo total del proyecto.
En el sistema debe incluir un circuito de conmutación para poder realizar
mantenimientos y protección de la micro turbina a posibles averías y
garantizar el suministro continuo de agua potable.
El tablero de control tiene un sistema de almacenamiento el cual garantiza,
el suministro de energía eléctrica para el funcionamiento normal en casos
de no tener ninguna de las dos formar de alimentación de energía y evitar
perdida de información al SCADA del EPMAPS.
Para la validación de resultados se usó software CAE el cual se utilizó el
módulo de análisis de fluidos el cual permite validar los resultados con la
simulación a la micro turbina hidráulica como la presión que existe dentro
del sistema y las fuerzas que va a sufrir.
RECOMENDACIONES
Es importante conocer la calidad de agua y de qué manera se usa, para la
selección del materia de la micro turbina y evitar daños en su
funcionamiento y desgaste en los alavés.
Se toma en cuenta las características, límites y tipo de trabajo que ofrece
el catálogo de la micro turbina para su selección adecuada.
Se debe realizar un bypass para la conducción del fluido para realizar los
respectivos mantenimientos o reparaciones en averías de la micro turbina
para evitar que el tanque de agua se mantenga vacío.
Se debe tener en cuenta que el sistema de generación de energía
alternativa debe ser desmontable con facilidad el mantenimiento correctivo
y para su instalación.
40
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42
ANEXOS
42
ANEXO 1
Detector de fase
43
ANEXO 2
Planos del sistema mecánico
1000 2000 1000 1000
R419,10
R419,10
762
66,04
612,14 575 609,60 419,10
685,80
966,98 419,10
762 3005,07 3449,24 419,10 612,14
1000 419,10
571,50
2 1 2
32
5
714X411X6 6
Ingresa del fluido
Salida del fluido
N° DESCRIPCIÓN TAMAÑO CANTIDAD1 Microturbina Ø=12'' 1 ud2 Valvula
compuerta Ø=12'' 3ud
3 Valvula Y Ø=12'' 1 ud4 Brida Ø=12'' 11ud5 tuberia en T Ø=12'' 1ud6 Codo 90° Ø=12'' 2 ud7 Tuberia Ø=12'' 13445 mm
C
2 31 4
B
A
D
E
Diseño MecánicoESCALA:
1:100
Edición Modificación Fecha Nombre
Dibujado
Revisado
Aprobado
Fecha Nombre
MATERIAL:TOLERANCIA: PESO [Kg]:
DIBUJO Nº: HOJA:FIRMA / EMPRESA:
20/03/2019
0.1
A4
44
ANEXO 3
Proceso de información del Ansys
45
