1. INTRODUCCIÓN

Comarapa es la primera Sección Municipal y capital de la provincia Manuel María Caballero, en el departamento de Santa Cruz, Bolivia. Fundada el 11 de junio de 1615 con el nombre de Santa María de la Guardia y Mendoza por Don Pedro Lucio Escalante y Mendoza, por orden del Virrey del Perú.

Vista Panorámica de Comarapa.

Atardecer en Comarapa.

Se caracteriza por su topografía variada que comprende tres regiones, desde la alta serranía húmeda de la Siberia, los valles rodeados de montañas, y parte de las llanuras amazónicas. Pueblo tradicional de valle con sus características propias de la región.

Se encuentra a 241 km de la ciudad de Santa Cruz. Se encuentra a 255 km de la ciudad de Cochabamba. Se encuentra en las estribaciones de los Andes. Altitud 1800 msnm. Su clima es templado y presenta fluctuaciones sustanciales en temperatura con la llegada

de los frentes fríos del sureste durante el invierno. Tiene una temperatura media de 18ºC. Población de 14.660 habitantes (INE 2010)

2. OBJETIVOS

Objetivos Generales

Se pretende abastecer de mayor energía eléctrica a la comunidad de Comarapa y algunas localidades aledañas para esto se va a proyectar una central hidroeléctrica de agua fluyente. Actualmente Comarapa cuenta con energía eléctrica.

Objetivos específicos

-Determinar la demanda existente.

-UBICAR un lugar adecuado para la creación de la centra hidroeléctrica.

-PROYECCION de la demanda para 20 años.

-Calcular el diseño de las OBRAS CIVILES de la central

-Calcular la potencia de los generadores y transformadores.

-Seleccionar el tipo de turbina que llevará la central.

-Seleccionar el sistema de excitación

-Determinar el tipo de protección del generador

3. ESTUDIO DE LA DEMANDA3.1 Pronóstico de la demanda a 20 años

  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

AÑO 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

POBLACION 14660,00 14869,64 15082,27 15297,95 15516,71 15738,60 15963,66 16191,94 16423,49 16658,34 16896,56

FAMILIA 3665,00 3717,41 3770,57 3824,49 3879,18 3934,65 3990,92 4047,99 4105,87 4164,59 4224,14

INDICE DE COBERTURA (%) 68,00 68,97 69,96 70,96 71,97 73,00 74,05 75,11 76,18 77,27 78,37

USUARIOS 2492,20 2563,99 2637,84 2713,82 2791,99 2872,41 2955,15 3040,27 3127,85 3217,94 3310,64

CONSUMO UNITARIO (Kwh/mes) 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 35

SUBTOTAL (Mwh/año) 897,19 923,04 949,62 976,98 1005,12 1034,07 1063,86 1094,50 1126,03 1158,46 1390,47

CONSUMO GENERAL (10 %) 89,72 92,30 94,96 97,70 100,51 103,41 106,39 109,45 112,60 115,85 139,05

ALUMBRADO PUBLICO (8%) 71,78 73,84 75,97 78,16 80,41 82,73 85,11 87,56 90,08 92,68 111,24

SUBTOTAL 2 (Mwh/año) 1058,69 1089,18 1120,55 1152,83 1186,04 1220,20 1255,35 1291,51 1328,71 1366,98 1640,75

PERDIDAS (11%) 116,46 119,81 123,26 126,81 130,46 134,22 138,09 142,07 146,16 150,37 180,48

TOTAL (Mwh/año) 1175,14 1208,99 1243,82 1279,64 1316,50 1354,42 1393,44 1433,57 1474,87 1517,35 1821,23

FACTOR DE CARGA 0,25 0,25 0,26 0,26 0,26 0,26 0,27 0,27 0,27 0,27 0,28

POTENCIA MAXIMA (Kw) 536,59 546,59 556,76 567,13 577,69 588,44 599,40 610,56 621,93 633,50 752,85

 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

AÑO2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 2031

POBLACION17138,18 17383,25 17631,83 17883,97 18139,71 18399,11 18662,22 18929,09 19199,77 19474,33

FAMILIA4284,54 4345,81 4407,96 4470,99 4534,93 4599,78 4665,55 4732,27 4799,94 4868,58

INDICE DE COBERTURA (%)79,49 80,63 81,78 82,95 84,14 85,34 86,56 87,80 89,06 90,33

USUARIOS3406,00 3504,10 3605,04 3708,88 3815,71 3925,62 4038,70 4155,03 4274,71 4397,84

CONSUMO UNITARIO (Kwh/mes)35 35 35 35 35 35 35 35 35 35

SUBTOTAL (Mwh/año)1430,52 1471,72 1514,12 1557,73 1602,60 1648,76 1696,25 1745,11 1795,38 1847,09

CONSUMO GENERAL (10 %)143,05 147,17 151,41 155,77 160,26 164,88 169,63 174,51 179,54 184,71

ALUMBRADO PUBLICO (8%)114,44 117,74 121,13 124,62 128,21 131,90 135,70 139,61 143,63 147,77

SUBTOTAL 2 (Mwh/año)1688,01 1736,63 1786,66 1838,12 1891,07 1945,54 2001,58 2059,23 2118,55 2179,57

PERDIDAS (11%)185,68 191,03 196,53 202,19 208,02 214,01 220,17 226,52 233,04 239,75

TOTAL (Mwh/año)1873,69 1927,66 1983,19 2040,31 2099,08 2159,55 2221,75 2285,75 2351,59 2419,32

FACTOR DE CARGA0,28 0,28 0,28 0,29 0,29 0,29 0,30 0,30 0,30 0,31

POTENCIA MAXIMA (Kw)766,87 781,14 795,69 810,50 825,59 840,96 856,62 872,57 888,81 905,36

3.2 Curva de carga

CURVA DE CARGA PARA EL AÑO 0

0

100

200

300

400

500

600

CURVA DE CARGA PARA EL AÑO 10

0

100

200

300

400

500

600

700

800

CURVA DE CARGA PARA EL AÑO 20

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

4. CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL DEL PROYECTO

4.1. Ubicación de las obras en la carta geográfica del IGM

4.2 Curva de la variación de los caudales

X Y

TIEMPO CAUDAL

(%) (m3/s)

0 26,40

5 11,60

10 4,96

15 2,48

20 1,76

25 1,41

30 1,34

35 1,34

40 1,33

45 1,32

50 1,31

55 1,30

60 1,30

65 1,28

70 1,27

75 1,27

80 1,26

85 1,26

90 1,25

95 1,22

100 1,18

Y CAUDAL (m3/s)

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100 120

Y CAUDAL (m3/s)

4.3 Cálculo de la potencia del proyecto

Calculo del caudal útil

QUTIL=QMIN−(5 %∗QMIN)

QUTIL=QMIN−(5 %∗QMIN) = 1.18 - (5%*1.18)

QUTIL=¿ 1.12

Cálculo de la altura requerida:

La altura requerida para satisfacer la demanda es de:

P = 9.81xHxQxη

H= 905.36kW/9.81x0.9x1.12m3/s

H= 91.5 mts.

POTENCIA NOMINAL DEL PROYECTO

Potencia máxima anual Año 0: 536.59 kW

Potencia Nominal Año 0: 540 kW

 

Potencia máxima anual Año 10: 752.85 kW

Potencia Nominal Año 10: 800 kW

 

Potencia máxima anual Año 20: 905 kW

Potencia Nominal Año 20: 1000 kW

 

Nota: todo el equipamiento eléctrico se lo diseña con la potencia nominal del Año 10, y las obras civiles se lo diseñan para el Año 20.

 

Nuestra central Hidroeléctrica trabajará con dos turbinas de 500 Kw

5 OBRAS CIVILES

5.1 Obra de derivación

Las dimensiones de la estructura del barraje u obra de derivación están indicadas, asumiendo como caudal aquel de la avenida máxima estimada.

Cuando se necesita captar un caudal de agua desde un rió para su aprovechamiento en una Central Hidráulica, Debe construirse un barraje de derivación con el fin de levantar el nivel del agua del río y facilitar su entrada a la Bocatoma de derivación y al canal de alimentación.

DIMENSIONES DEL BOCATOMA

Las obras de bocatoma derivan el agua hacia las conducciones que la transportarán a la minicentral.

Generalmente, en la toma se instala una reja, para impedir el paso de peces y material sólido.

Las dimensiones de las estructuras de la bocatoma y desarenador están indicadas en tablas, asumiendo como caudal aquel utilizado en el proyecto de la central hidráulica

Profundidad del agua en la compuerta Do 1.07 [m]

Ancho del canal a la entrada de la compuerta de Bo 1.53 [m]

Altura del canal a la entrada de la compuerta de Ho 1.28 [m]

Ancho de la compuerta de regulación Gb 1.65 [m]

Altura de la compuerta de regulación Gr 1.48 [m]

Altura del marco de la compuerta A 1.64 [m]

Ancho del marco de la compuerta B 2.25 [m]

Espesor del marco de la compuerta C 0.82 [m]

Ancho de la pasarela de maniobra de la compuerta P 0.90 [m]

Ancho de la pasarela de maniobra de la rejilla W 1 [m]

Espesor de la losa de maniobra de la rejilla t 0.20 [m]

Proyección vertical de la altura de la rejilla E 1.48 [m]

Ancho de la rejilla F 2.35 [m]

Longitud de la rejilla l 1.73 [m]

Dimensiones de la sección de las barras de la rejilla (en txb 45x50 [mm]

Distancia entre ejes de las barras de la rejilla. (mm) P 34 [mm]

Ancho del canal de rebose S 2.35 [m]

Tirante mínimo de agua en el canal del rebosadero d1 0.86 [m]

Tirante de agua máximo en el canal del rebosadero d2 1.18 [m]

Longitud del rebosadero L [m]

Longitud del desarenador O 3.20 [m]

Ancho de la canaleta de desarenación J 0.95 [m]

Tirante de agua máximo de la canaleta de desarenación h1 2.25 [m]

Tirante de agua mínimo de la canaleta de desarenación h2 1.79 [m]

Dimensiones de la compuerta de desarenación K 0.64 [m]

Ancho de la compuerta de desarenación en el barraje M 1.70 [m]

Profundidad de la compuerta de desarenación en el barraje Q [m]

Longitud del aliviadero de regulación N 4.60 [m]

Altura de agua en el aliviadero de regulación U 0.57 [m]

Velocidad del agua en el aliviadero de regulación V 0.285 [m/s]

Velocidad del agua en la rejilla Vs 0.550 [m/s]

Velocidad del agua en la compuerta. Vg 0.734 [m/s]

VISTA EN PLANTA

SECCION A – A

SECCION B – B

Desarenador

Tiene la función de precipitar todos los pequeños sólidos en suspensión que trae el agua producto de su arrastre ejemplo: arena

Profundidad del agua en el canal Do 1.17 [m]

Ancho del canal Bo 1.70 [m]

Longitud del Desarenador L 23.8 [m]

Longitud de entrada l1 3.38 [m]

Longitud de salida l2 2.70 [m]

Ancho de la canaleta de desarenación J 1.03 [m]

Profundidad del agua en la partida d1 1.46 [m]

Profundidad del agua de la final d2 2.03 [m]

Profundidad máxima de la canaleta de d3 2.84 [m]

Ancho del desarenador B1 4.4 [m]

Borde libre F 0.3 [m]

Espesor de concreto del canal to 0.22 [m]

Espesor de concreto de la partida t1 0.25 [m]

Espesor de concreto del final t2 0.3 [m]

Espesor de concreto para la compuerta t3 0.76 [m]

Ancho de concreto para la compuerta M 1.38 [m]

Ancho y altura de la compuerta K 0.69 [m]

Canal

Es la conducción que transporta el agua que se toma desde el desarenador hasta la cámara de carga. A lo largo del canal, dependiendo de su longitud, puede haber varias compuertas para limpieza y vaciado del canal en caso necesario.

Al final del canal, antes de la cámara de carga, suelen instalarse una reja con su correspondiente máquina limpiar rejas, así como una compuerta de seguridad.

Como la topografía del terreno brinda grandes alturas aprovechables debemos adoptar una pendiente pronunciada para el canal, por lo que la escogida fue de 1 m/800m.

Asimismo por razones económicas los canales son rectangulares.

Según tabla # 15, para un caudal de 1.12 m3/s una pendiente de 1m/800m las dimensiones del canal serían:

a =0.84 m

b= 1.18 m

v= 1.13 m/s

Cámara de carga

Consiste en un depósito situado al final del canal de derivación del que parte la tubería forzada. Esta cámara es necesaria para evitar la entrada de aire en la tubería forzada, que provocaría sobre presiones.

Diámetro de tubo de presión 0.96 Dp

Carga de agua en el eje del tubo de presión a la salida 2.10 A

Ancho de la camara de carga 1.95 Bo

Tirante máximo de agua de la cámara de carga 2.6 E

Borde libre 0.46 F

Profundidad máxima 3.06 M

Longitud de aliviadero 7.20 J

Espesor de la lamina de agua sobre el vertedero 0.215 O

Tirante de agua a la entrada del canal de desarenación 2.0 H

Sobre elevación para impedir la entrada de arena al tubo de presión 0.92 P

Tirante máximo en el canal de desarenación 2.55 h

Ancho máximo del canal de desaneración 0.87 S

Dimensiones de la compuerta de desarenacion (g x g) 0.53 g

Tirante de agua a la entrada de la compuerta de control 1.08 C

Distancia entre el canal de mat. Flotante y la compuerta 2.0 G

Altura de la compuerta 1.54 G

Ancho de la compuerta 2.09 Gb

Altura del marco de la compuerta 1.32 T

Ancho del marco de la compuerta 2.67 Bg

Espesor de las paredes del marco de la compuerta 0.36 U

Ancho de las paredes del marco de las compuertas 0.58 R

Ancho de la pasarela de maniobra de la rejilla 0.80 N

Ancho del canal de limpia de material flotante 0.52 K

Profundidad del canal de limpia del material flotante 0.6 Q

Ancho de la pasarela de maniobra de la rejilla 0.31 V

Distancia del canal de mat. Flotante al borde de la rejilla 0.16 i

Proyeccion horizontal de la longitud de la rejilla 0.92 L

Longitud de la rejilla 1.49 l

Dimensiones de las barras de la rejilla (m.m.) 45*45 t*b

Espaciamiento de las barras de las rejillas 26 m/m

Velocidad del agua al final del desarenador 0.308 V

Velocidad del agua en la compuerta de control 0.57 Vg

Velocidad del agua en la rejilla 0.664 Vs

TUBERIA FORZADA

La tubería forzada o de presión conduce el agua desde la cámara de carga hasta la turbina. Generalmente la tubería es de acero.

Al inicio de la tubería se instala un órgano de cierre que permite evitar el paso de agua y vaciar la tubería poco a poco.

En función del caudal de agua, la caída bruta y la pérdida de carga supuesta en la tubería de presión, se puede conseguir el diámetro, el espesor y el peso de la tubería misma.(Tabla nº 17-1)

DIAMETRO DE LA TUBERIA A PRESION Dp: 0.96 m

ESPESOR DEL TUBO: 10 mm

De la tabla siguiente en función del espesor y del diámetro del tubo obtenemos el peso del tubo.

PESO DEL TUBO: 240 Kg/m

LONGITUD DE LA TUBERIA: 278.5 + 10: 288.5 m

PESO TOTAL EN LA TUBERIA: 240 Kg/m * 288.5m= 69240 Kg

SELECCION DE LA TURBINA

NQ= n*Q1/2/H3/4

NQ= 1000* 0.561/2/91.53/4

NQ= 25.29

SIENDO EL RANGO DESDE (22-120 = FRANCIS) LO QUE CORRESPONDE A UNA TURBINA FRANCIS

SELECCIÓN DEL GENERADOR

Serán dos generadores con las siguientes características:

En base al número de revoluciones de la turbina hallamos el par de polos que tendrá cada generador:

P =

60 xfN

= 3 PARES DE POLOS

De la tabla Nº 26 se halla el factor de potencia con los siguientes datos:

Potencia=350.8 kw

Números de polos =6

La intercepción de los datos en el grafico nos da como resultado un factor de potencia de 0.9

Con esto calculamos la potencia aparente que da como resultado 389.77 KVA

Con la tabla Nº 25 vemos el rendimiento de los generadores de inducción en función del número de polos

De la grafica deducimos que el rendimiento es igual a 0.95, entonces:

POT GEN = 350.8 x 0.95 = 333.26 Kw

GENERADOR SINCRONO “GRUPO ELECTROGENO VOLVO”

350 kW, trifásico, 400/231 V., 1.000 r.p.m. 50 Hz, autorregulado, autoexcitado,

Regulación electrónica con escobillas, aislamiento clase H. Precisión de tensión ±1%

ACOPLAMIENTO

Directo con alternador monosoporte

SISTEMA DE EXCITACION

RECT + REG. VEL.

El sistema de excitación dado por el fabricante es el sistema de excitación estático auto excitado como se representa en la figura

  msnm Largo Ancho Alto Pend. Veloc.Diám. Espesor

    m m m m/m m/s m mm

OBRA DE DERIVACION  1800              

OBRA DE TOMA  1799  5.5 2.6       0.734    

DESARENADOR  1799  23.8 4.4      0.308     

CANAL  1799-1794  4042.5  1.18 0.84   1:800 1.13     

CAMARA DE CARGA  1794  7.20  1.95  3.06        

TUBERIA FORZADA (PENSTOCK)  1794  288.5          0.96  10

CASA DE MAQUINAS  1700              

CUADRO RESUMEN: OBRA CIVILES Y TUBERIA FORZADA

DATOS DE OPERACIÓN DE LA CENTRAL

Potencia nominal (KW)  693

Caudal nominal (m3/s)  1.12

Caída bruta (m)  99

Caída neta (m)  92

Demanda año 0 (KW)  536

Demanda año 20 (KW)  812

Consumo año 0 (MWh) 1175.14

Consumo año 20 (MWh) 2419.32

Tipos de turbinas  francis

RPM turbinas  1150

Cantidad de unidades  2

Factor de carga, año 0  0.25

Nq  25

DATOS GENERADORES

Potencia nominal (kW)  333

Factor de potencia (cosfi)  0.9

Tensión nominal (V)  

Clase de aislación, bobinas estator  

RPM rotor  1150

N° Pares de polos  3

Tipo de excitación Estatico

Tensión nominal excitación (V)  

FALTA: DIAGRAMA DE BLOQUE, CONCLUSION, DIMENSIONES DEL GENERADOR