Tecnologías Emergentes en Energías Renovables Bombas ...

Tecnologías Emergentes en Energías

Renovables

Bombas usadas como turbinas para

microhidráulica

Rodolfo Pienika

Junio 2018

CONTENIDO

Un poco de historia. Diagrama de 4 cuadrantes

Ventajas y desventajas. Principales diferencias con

turbinas convencionales. Aplicaciones en Uruguay.

Selección preliminar. Coeficientes de predicción. Ensayos.

Modificaciones necesarias. Regulación

BOMBAS COMO TURBINAS PARA MICROHIDRÁULICA - TEER

UTILIZACIÓN DE BOMBAS COMO TURBINAS: primer acercamiento


Una turbina es una bomba operando en modo invertido

a) modo bomba b) modo turbina

UTILIZACIÓN DE BOMBAS COMO TURBINAS: primer acercamiento


Clasificación de centrales hidroeléctricas

Tamaño de central Rango de potencia instalada

Grande Más de 100 MW

Mediana 20 a 100 MW

Pequeña 1 a 20 MW

Mini 100 kW a 1 MW

Micro 5 a 100 kW

Pico Hasta 5 kW

UTILIZACIÓN DE BOMBAS COMO TURBINAS: antecedentes


Primera experiencia: Colorado (USA) 1926

Thoma y Kittredge (1931) ensayaron bomba centrífuga en

rango completo con fin de estudiar fenómenos transitorios

(golpe de ariete) en estaciones de bombeo. Vieron que podía

operar como turbina!



Knapp (1937) introduce el Diagrama de los 4 Cuadrantes para

bomba centrífuga de doble succión.

Swanson (1953) compara operación completa de bomba

centrífuga, de flujo mixto y axial.



En la década de 1950 empieza a considerarse el concepto de

“centrales de acumulación”

Para estas centrales fueron dirigidos la mayoría de los

estudios de bombas-turbina (misma máquina para las 2

tareas)

UTILIZACIÓN DE BOMBAS COMO TURBINAS:diagrama de los 4 cuadrantes


Bomba centrífuga



Knapp (1937)



Bomba axial



Swanson (1953)



Se suelen utilizar los diagramas para la predicción de la operación de otras bombas (de igual velocidad específica)

Pero bombas de igual velocidad específica se comportan diferente, sobretodo las axiales (diferencias geométricas y de diseño)


En micro generación: costo de equipos electromecánicos

(turbina+generador+control) elevados, pueden ser del 40%

o más del costo total

El costo por kW instalado en micro hidráulica es mayor que

en grandes centrales

Alternativa: utilizar una bomba como turbina (Pump As

Turbine - PAT)

Potencias hasta 100 kW o más (micro o mini hidráulica)

UTILIZACIÓN DE BOMBAS COMO TURBINAS:consideraciones económicas


Distribución de costos en

a) Grandes centrales hidroeléctricas y b) micro centrales hidroeléctricas

(Jain y Patel, 2014)



Ventajas:

- simplicidad

- bajo costo inicial y de mantenimiento

- disponibilidad en amplios valores de salto y caudal

- fabricación en serie

Desventajas:

- fabricantes de bombas no publican desempeño como turbina

- no tienen posibilidad de regulación



Para evaluar factibilidad económica:

-Comparar una PAT con una turbina convencional (no con otras

fuentes de energía)

-No incluir costos socio-económicos y ambientales (son iguales

para las dos alternativas)

-La vida útil es la misma

-Se comparan beneficios contra costos



Algunos ejemplos:

Para un embalse existente (riego) con valores iniciales:

Hn= 4,4 m Q=2,28 m3/s (turbina axial, P=80 kW)

-Turbina + generador + accesorios -> U$S 200.000 FOB (Europa) y

más caros también (U$S 500.000 puesto en sitio)

-PAT -> U$S 50.000

Debe considerarse generación a cargas parciales (turbina si, PAT

no)


UTILIZACIÓN DE BOMBAS COMO TURBINAS


Tipos de bombas que pueden usarse como turbinas:

-centrífugas de entrada axial (más comunes)

-centrífugas de doble succión

-de flujo mixto

-axiales



Tipos de bombas no recomendadas:

-centrífugas multietapa (más caras)

-centrífugas con voluta circular (pobre rendimiento)

-centrífugas con rotor torneado (pobre rendimiento)

-autocebantes (válvula de retención)

-sumergibles de motor mojado (válvula de retención)

-sumergible de motor seco (sobrecalentamiento)

-de desplazamiento positivo



Algunos fabricantes están impulsando el uso de sus

bombas como turbinas (KSB, Andritz, KBL)


Q y H del pto. de máximo rendimiento como turbina son

mayores a los correspondientes en modo bomba.

𝜂𝑚𝑎𝑥. 𝑇 ≈ 𝜂𝑚𝑎𝑥. 𝐵

𝜂𝑇 no decae rápidamente a 𝑄 > 𝑄𝐵𝐸𝑃



En bombas axiales, deben tener álabes difusores. Si son

orientables se aumenta el intervalo de operación.

En bombas centrífugas, difusores mejoran pero no son

indispensables (en caso de tener voluta espiral)

Bombas axiales no han sido explotadas en su operación

como turbinas, a diferencia de las centrífugas.


TURBINAS HIDRÁULICAS


Turbinas de reacción: Francis, Kaplan, Axiales, Bulbo, etc.

Turbinas de impulso: Pelton, Michell-Banki, etc.


Selección en Uruguay: generalmente de reacción de tipo axial (bajos saltos)



DIFERENCIAS ENTRE TURBINAS Y PAT


Rotor de una turbina radial (izq.) y de una bomba centrífuga usada

como turbina (der.) para las mismas condiciones de operación.



Posibilidad de regulación (por variación instantánea de la

demanda o variación estacional de las condiciones de salto

y caudal):

-turbinas Kaplan operan a rendimiento casi máximo desde el

30% Qnom

-PAT axiales operan a rendimiento máximo recién desde

90%Qnom.



Álabes del rotor se disponen de manera opuesta (los de

una bomba en modo turbina tienen borde de ataque

afilados).

Descenso de rendimiento a 𝑄 ≠ 𝑄𝐵𝐸𝑃.



Condiciones de flujo a la entrada:

-álabes difusores de la bomba funcionan como álabes distribuidores en

modo turbina



Condiciones de flujo a la entrada:

-en turbinas flujo bien guiado (tramo recto en Bulbo o cámara espiral

en Kaplan); en PAT presencia del codo perturba flujo



Condiciones de flujo a la salida:

-nariz del cubo de PAT semejante a nariz de cubo de turbina



Condiciones de flujo a la salida:

-en turbinas el tubo de aspiración reduce la velocidad, en PAT

ducto convergente de entrada opera como difusor de gran

ángulo (pérdidas!)



Efecto de las pérdidas hidráulicas y volumétricas

𝐻𝑇 = 𝐻𝑡𝑇 + 𝜁𝐻𝑇 𝐻𝐵 = 𝐻𝑡𝐵 − 𝜁𝐻𝐵

𝑄𝑇 = 𝑄𝑡𝑇 + 𝜁𝑄𝑇 𝑄𝐵 = 𝑄𝑡𝐵 − 𝜁𝑄𝐵


APLICACIONES EN URUGUAY


En embalses existentes para riego por gravedad (se turbina

en temporada de riego)



potencias hasta 100 kW, sin necesidad de obras civiles,

algunos estudios de pre-factibilidad con turbinas



En líneas de distribución de agua potable reemplazando

válvulas reductoras de presión (potencias de decenas de kW).



Plantas de tratamiento de aguas residuales


En centrales de acumulación para operar como bomba y

turbina.



En nuevos aprovechamientos hidroeléctricos.


SELECCIÓN PRELIMINAR


Criterios de selección similares a turbinas

SELECCIÓN PRELIMINAR


Generalmente la operación de una bomba como turbina es

desconocida (incluso hasta por los propios fabricantes)

Una opción es utilizar métodos o coeficientes de predicción

La mejor opción es poder ensayar la bomba en modo

turbina (con modelos físicos o numéricos).

COEFICIENTES DE PREDICCÓN


Salto y caudal en pto. de máx. rendimiento

ℎ =𝐻𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

𝐻𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎> 1 𝑞 =

𝑄𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑎

𝑄𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎> 1 𝜂𝑇 ≈ 𝜂𝐵

Empíricos (función del rendimiento máximo como bomba

y/o de la velocidad específica)

Sólo para pto. de máximo rendimiento (BEP).

Error de ±20% y mayor



La mayoría de estudios sólo válidos para bombas

centrífugas.

Para PAT’s axiales (Alatorre-Frenk, 1994):

ℎ =0.93 Ω𝐵

0.1

𝜂𝐵1.7 𝑞 =

1.21

𝜂𝐵0.6 𝜂𝑇 = 0.88 𝜂𝐵

0.5



Investigador/Año caudal 𝑞 carga ℎ máx. rendimiento 𝜂𝑇 Rango de validez

Stepanoff/1957 1

𝜂𝐵0.5

1

𝜂𝐵

𝜂𝐵

0.8 ≤ Ω𝐵 ≤ 1.2

Childs/1962 1

𝜂𝐵

1

𝜂𝐵

𝜂𝐵

-

Hancock/1936 1

𝜂𝑇

1

𝜂𝑇

--

Diederich/1967 1.402 Ω𝐵−0.171 1.556 Ω𝐵

−0.174 ≥ 𝜂𝐵

0.28 ≤ Ω𝐵

≤ 1.04

Grover/1982 2.643 − 1.399 Ω𝐵 2.693 − 1.212 Ω𝐵 𝜂𝐵

0.893 + 0.0466 Ω𝐵0.2 ≤ Ω𝐵 ≤ 1.1

Ventrone y R./1982 1

𝜂𝐵

1

𝜂𝐵0.5

= 𝜂𝐵

-



Investigador/Año caudal 𝑞 carga ℎmáx. rendimiento

𝜂𝑇

validez

Sharma/1984 1

𝜂𝐵0.8

1

𝜂𝐵1.2

= 𝜂𝐵

0.8 ≤ Ω𝐵 ≤ 1.2

Gopalakrishnan/

1986

1.86 − 0.551 𝐿𝑛 5 Ω𝐵

+ 0.11 𝐿𝑛 5Ω𝐵2.2

2.6 − 9.1 𝐿𝑛 5 Ω𝐵

+ 7.96 𝐿𝑛 5Ω𝐵1.1

= 𝜂𝐵

-

Naber y H./1987 1.3 1.35 = 𝜂𝐵

-

Palgrave/1987 1.471 1.471 1.1 𝜂𝐵

-

Schmiedl/1988 −1.378 +2.455

𝜂𝐵𝜂𝑇

0.25−1.516 +

2.369

𝜂𝐵𝜂𝑇

0.5

𝜂𝐵 1.158 0.1 ≤ Ω𝐵 ≤ 1.05

Williams/1990 1.11

𝜂𝐵0.8

1.11

𝜂𝐵1.2

--



Investigador/Año caudal 𝑞 carga ℎmáx. rendimiento 𝜂

𝑇 Validez

Alatorre-Frenk/19900.85 𝜂

𝐵5 + 0.385

2 𝜂𝐵9.5 + 0.205

1

0.85 𝜂𝐵5 + 0.385

𝜂𝐵− 0.03

-

Sánchez/1991 1.3 1.35 - -

Chapallaz et al./

1992

1.12

𝜂𝐵0.6

1 + 0.4 + 𝐿𝑛Ω𝐵2 0.15 1.1

𝜂𝐵0.8

1 + 0.3 + 𝐿𝑛Ω𝐵2 0.3 𝜂

𝐵− 0.03

0.1 ≤ Ω𝐵 ≤ 1.1

Alatorre-Frenk/

1994

1.21

𝜂𝐵0.6

1.21

𝜂𝐵0.8

1 + 0.6 + 𝐿𝑛Ω𝐵2 0.3

0.95 𝜂𝐵0.7 1

Entrada axial

0.23 ≤ Ω𝐵

≤ 1.8

Alatorre-Frenk/

1994

1.21

𝜂𝐵0.6

0.79

𝜂𝐵2.3

1 + 0.7 + 𝐿𝑛Ω𝐵2 1.9

1.31 𝜂𝐵2.7 1

Doble succión

0.35 ≤ Ω𝐵

≤ 0.9

Alatorre-Frenk/

1994

1.21

𝜂𝐵0.6

0.93 Ω𝐵0.1

𝜂𝐵1.7

0.88 𝜂𝐵0.5

Tipo turbina

1.24 ≤ Ω𝐵 ≤

4.96

ENSAYOS


ENSAYOS


Predicción de curvas características con CFD (White et al., 2005).

ENSAYOS


Predicción de curvas características con CFD y comparación con ensayos en modelo físico (Bozorghi et al., 2013).

ENSAYOS


Predicción de curvas características con CFD y comparación con ensayos en modelo físico (Qian et al., 2016).

MODIFICACIONES


Redondeo de borde

de fuga de álabes del

rotor de la bomba

MODIFICACIONES


Cambiar rotor de la bomba por un rotor diseñado para

trabajar como turbina.

MODIFICACIONES


Reemplazar ducto convergente de entrada por difusor bien

diseñado

MODIFICACIONES


Cuidado con cojinetes axiales, generalmente diseñados

para un único sentido de giro

REGULACIÓN


Alternativas por falta de regulación:

-instalación en paralelo

-operación intermitente

-selección de PAT para Q mínimo

-by-pass

-estrangular válvula

-variación de velocidad de rotación (poleas o controlador

electrónico)

REGULACIÓN


Instalación en paralelo (pueden ser PAT’s iguales o diferentes)

8 PATs (KSB) en paralelo en líneas de agua potable en Alemania

REGULACIÓN


Operación intermitente

(parte del tiempo se llena un

reservorio y no se turbina, y

otra parte se turbina todo el

caudal hasta que se vacía el

reservorio)

REGULACIÓN


Selección de PAT para Q mínimo

REGULACIÓN


By-pass (cuando el caudal disponible aumenta respecto al

nominal, no se puede turbinar el 100% sin que aumente el

salto neto, por lo que el excedente de caudal se vierte por

vertederos o se hace

circular por un by-pass)Curva del sistema

Curva de PAT

REGULACIÓN


Estrangular válvula (si caudal disponible disminuye, el salto

neto es mayor al salto que se puede turbinar, y el excedente se

debe disipar)

Curva del sistema

Curva de PAT

REGULACIÓN


Variación de velocidad de rotación con poleas (permite

seleccionar generador más económico)

REGULACIÓN


Variación de velocidad de rotación con controlador electrónico

(permite mantener rendimiento elevado con salto variable)

GENERADOR ELÉCTRICO:motor de inducción


Económicos y gran disponibilidad en mercado

Funcionan sin problemas conectados a la red (ésta le aporta

la potencia reactiva necesaria)

Tener cuidado con velocidades de embalamiento (hasta 80%

mayores a los normales para PAT axiales)

Utilizar hasta el 80% de la potencia nominal

Para operar aislados de la red requieren capacitores


Más costosos

Requieren excitación de CC

Sincronización con frecuencia de la red

Requieren regulación de velocidad

Pueden presentar problemas de estabilidad

Se recomiendan para instalaciones aisladas de la red

GENERADOR ELÉCTRICO:generador sincrónico


Costosos

No requieren excitación de CC

Sin escobillas ni bobinados en el rotor, menos cobre

Más livianos y compactos

Menos pérdidas eléctricas (más eficientes)

Simple regulación de velocidad

Pueden operar a bajas velocidades

GENERADOR ELÉCTRICO:generador de imanes permanentes


EJEMPLO: Seleccionar PAT para trabajar con: Q=100 l/s y Hn= 12,6m

Selección preliminar

Flujo mixto o

centrífuga


EJEMPLO: Seleccionar PAT para trabajar con: Q=0,1 m3/s y Hneto= 12,6m

Velocidad específica modo turbina y modo bomba

Se asume Nt=1540 rpm 𝑛𝑡 = 𝑁𝑡 .𝑄 1 2

𝐻 3 4= 72,8

𝑛𝑏 = 𝑛𝑏./0,89 = 81,8

Ω𝑏 = 1,5Velocidad específica adimensionada


EJEMPLO: Seleccionar PAT para trabajar con: Q=0,1 m3/s y Hn= 12,6m

Carga y caudal de máximo rendimiento modo bomba,

a la velocidad de giro de la turbina (se asume 𝜂𝑏 𝑚𝑎𝑥. = 0,8):

ℎ = 1,5 → 𝐻𝑏 = 8,4𝑚 𝑞 = 1,4 → 𝑄𝑏 = 0,071 𝑚3/𝑠

Carga y caudal de máximo rendimiento modo bomba,

a la velocidad de giro de la bomba (se asume Nb=1450 rpm):

𝐻𝑏 =𝐻𝑏 𝑁𝑡

𝑁𝑡2. 𝑁𝑏2 = 7,4𝑚 𝑄𝑏 =

𝑄𝑏 𝑁𝑡

𝑁𝑡. 𝑁𝑏 = 0,067 𝑚3/𝑠



Seleccionar una bomba con un caudal nominal algo menor al

hallado (por ejemplo: 200 m3/h).



n1n1

n2n2

n3n3

oo

s2s2

s1s1

g1

g1

h1

h1

h2

h2

d m6d m6

t -0

.2t

-0.2

u h9u h9

m2m2

m1m1

ww

p2p2

p1p1

g2

g2

aa ff xx

ll

DND

DNS

E (G 3/8)

M (G 1/4)

ITT-Vogel modelo L 125-200

Diam=205 mm



Si no se encuentra una bomba para estas condiciones, cambiar

algún parámetro inicial (Nt, multietapa, instalación en

paralelo)

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