Determinación de costos unitarios para la construcción de minicentrales hidroeléctricas

Texto completo

(1)La versión digital de esta tesis está protegida por la Ley de Derechos de Autor del Ecuador. Los. derechos. de. autor. han. sido. entregados. a. la. “ESCUELA. POLITÉCNICA NACIONAL” bajo el libre consentimiento del (los) autor(es). Al consultar esta tesis deberá acatar con las disposiciones de la Ley y las siguientes condiciones de uso: !. Cualquier uso que haga de estos documentos o imágenes deben ser sólo para efectos de investigación o estudio académico, y usted no puede ponerlos a disposición de otra persona.. !. Usted deberá reconocer el derecho del autor a ser identificado y citado como el autor de esta tesis.. !. No se podrá obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original.. El Libre Acceso a la información, promueve el reconocimiento de la originalidad de las ideas de los demás, respetando las normas de presentación y de citación de autores con el fin de no incurrir en actos ilegítimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones de terceras personas. Respeto hacia sí mismo y hacia los demás..

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DETERMINACIÓN DE COSTOS UNITARIOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MINICENTRALES HIDROELÉCTRICAS. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO. AUTOR: HUMBERTO RENÁN GARCÉS MIRANDA [email protected]. DIRECTOR: ING. LUIS ELIAS TAPIA CALVOPIÑA, MSc. [email protected]. Quito, Junio 2012.

(3) DECLARACIÓN. Yo, HUMBERTO RENÁN GARCÉS MIRANDA, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría, que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y que he consultado las referencias que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. Humberto Renán Garcés Miranda.

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Humberto Renán Garcés Miranda, bajo mi supervisión.. Ing. Luis Tapia, MSc. DIRECTOR DEL PROYECTO.

(5) iv. AGRADECIMIENTO. Agradezco a mi esposa por haber estado siempre a mi lado bridándome su apoyo incondicional.. RENÁN.

(6) v. DEDICATORIA. A mis padres que con su esfuerzo y sacrificio han sabido guiarme y darme el valor para seguir siempre adelante.. RENÁN.

(7) vi. CONTENIDO DECLARACIÓN…………………………………………………………………………..ii CERTIFICACIÓN………………………………………………………………………..iii AGRADECIMIENTO……………………………………………………………………iV DEDICATORIA…………………………………………………………………………..V CONTENIDO…………………………………………………………………………….Vi LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………………X LISTA DE TABLAS…………………………………………………………………….Xii RESUMEN………………………………………………………………………………XV PRESENTACIÓN………………………………………………………………………XVi REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………………...119 ANEXO A:………………………………………………………………………………120 TIPOS DE AZUDES…………………………………………………….....................120 ANEXO B:..……………………………………….……………………………………124 TIPOS DE ALIVIADEROS……………………………………………………………124 ANEXO C:………………………………………………………………………………126 TIPOS DE OBRAS DE TOMA……..………………………………………………...126 ANEXO D:………………………………………………………………………………129 TURBINAS DE ACCIÓN………………………………..……………......................129 ANEXO E:……………………………………………………………..……………….132 TURBINAS DE REACCIÓN…………………………………………………...……..132 ANEXO F:……………………………………………………………………...……….136 MÉTODO DE SELECCIÓN DE TURBINAS…………………………....................136 ANEXO G:……………………………………………………………………...………141 EQUIPOS DE MEDICIÓN, PROTECCIÓN Y CONTROL………………………..141 ANEXO H:………………………………………………………………………………142 SUELDO O SALARIO Y RETRIBUCIÓN ASESORÍA…………...……………….142 ANEXO I:…………………………………………………………………………...…..143 ACUERDO MINISTERIAL NO. D-MRL-2009-00077………………………….…..143 ANEXO J:…………………………………………………………………...………….146 TABLAS DE RENDIMIENTO…………………………………………………….…..146.

(8) vii. ANEXO K:………………………………………………………………………………149 VIDA ÚTIL DE MAQUINARIA……………………………………………..…………149 ANEXO L:………………………………………………………………………………150 IMPUESTO AL VALOR AGREGADO……………………………………………...150 ANEXO M:……………………………………………………………………………...153 PRINCIPALES OBRAS CIVILES CENTRAL HIDROELÉCTRICA TULIPE..….153 ANEXO N:………………………………………………………………………………161 VOLÚMENES DE OBRA……...……………………………………………………...161 ANEXO O:…………………………………...…………………………………………163 CALCULO DE COSTOS………………………………………...……………………163 CAPITULO I 1. GENERALIDADES…………………………………………………………………..1 1.1. INTRODUCCIÓN………...…………………………………………………………..1 1.2. OBJETIVOS…………………………………………………………………………..1 1.3. ALCANCE…………………………………………………………………………….2 CAPITULO II 2. METODOLOGÍA. Y. REQUERIMIENTOS. DE. DISEÑO. DE. LAS. MINICENTRALES HIDROELÉCTRICAS…………………………………………3 2.1. INTRODUCCIÓN…………………………………………..…………………..…….3 2.2. DEFINICIONES BÁSICAS………………………………...……………………….3 2.3. TIPO MINICENTRALES…………………………………………………………....4 2.4. COMPONENTES DE UNA MINICENTRAL……………………………….……..6 2.4.1. COMPONENTES CIVILES……….……………..……..………………………6.

(9) viii. 2.4.1.1. Represas o azudes…………………………….…………………………...7 2.4.1.2. Aliviaderos……………………………………………………….…….…….7 2.4.1.3. Obra de toma……………………………………………………..….……...8 2.4.1.4. Canales…………………………………………………………………….…9 2.4.1.5. Desarenador………………………………………………………….…….10 2.4.1.6. Cámara de carga……………………………………………………….….11 2.4.1.7. Tubería de presión………………………………………………………..11 2.4.1.8. Casa de máquinas………………………………………………………...17 2.4.2. COMPONENTES ELECTROMECÁNICOS……………………..………….18 2.4.2.1. Turbinas Hidráulicas…………………………………………………….18 2.4.2.1.1 Turbinas de acción ……………………………………………………19 2.4.2.1.2 Turbinas de reacción………………………………………………….19 2.4.2.1.3 Método de selección………………………………………………….20 2.4.2.2. Generadores………………………………………………………………21 2.4.2.3. Subestación………………….…………………………………………...21 2.4.2.4. Tableros de control, protección y medida…………………………..22 2.4.2.1.4 2.4.2.1.5 2.4.2.1.6 2.4.2.1.7 2.4.2.1.8 2.4.2.1.9. Sistema de servicios auxiliares ……………………………………...23 Tableros de control……………………………………………………24 Tablero de medición…………………………………………………..27 Tablero de sincronización……………………………………………28 Sistema SCADA……………………………………………….............29 Diagramas de Flujo de Control ……………………………………...29 CAPITULO III. 3. METODOLOGÍA DE CÁLCULO DE COSTOS UNITARIOS………………….34 3.1. INTRODUCCIÓN………….………………………………………………………..34 3.2. PRECIOS UNITARIOS……….……………………………………………………34 3.3. COSTOS DIRECTOS………………………………………………………………35 3.3.1. COSTO DE MANO DE OBRA…………………….…………………………35 3.3.1.1. Salario básico unificado (SBU):………………………………………36 3.3.1.2. Derecho a la decimotercera remuneración o bono Navideño (13erS):…………………………………………………………………….37 3.3.1.3. Derecho a la decimocuarta remuneración o bono Escolar (14toS):…………………………………………………………………….38 3.3.1.4. Fondo de reserva (FR):…………………………………………………39 3.3.1.5. Aporte patronal (AP):……………………………………………………39.

(10) ix. 3.3.1.6. Transporte (T):……………………………………………………………39 3.3.2. COSTOS DE HERRAMIENTAS…………………………………………….41 3.3.3. COSTOS POR MAQUINARAS……………………………………………..44 3.3.3.1. Costos de propiedad:…………………………………………………...45 3.3.3.2. Costo de operación:…………………………………………………….47 3.3.3.3. Costo de mantenimiento:………………………………………………49 3.3.4. COSTO POR MATERIALES…………………………………………………50 3.4. COSTOS INDIRECTOS……………………………………………………………51 3.4.1. COSTOS INDIRECTOS POR ADMINISTRACIÓN CENTRAL “CIAC”…51 3.4.1.1. Alquileres y amortizaciones (CIAC1):………………………………..51 3.4.1.2. Cargos administrativos (CIAC2):……………………………………..51 3.4.1.3. Cargos técnicos y profesionales (CIAC3):………………………….52 3.4.1.4. Depreciación y mantenimiento (CIAC4):……………………………52 3.4.1.5. Gastos de licitación (CIAC5):…………………………………………53 3.4.1.6. Retenciones (CIAC6):…………………………………………………...53 3.4.1.7. Materiales de consumo (CIAC7):……………………………………..54 3.4.1.8. Promociones (CIAC8):………………………………………………….54 3.4.1.9. Suscripciones y afiliaciones (CIAC9):……………………………….54 3.4.1.10. Seguros (CIAC10):……………………………………………………….55 3.4.2. COSTOS INDIRECTOS POR GASTO EN OBRA “CIGO”………………55 3.4.2.1. Cargos de campo (CIGO1):…………………………………………….55 3.4.2.2. Construcciones provisionales (CIGO2):…………………………….56 3.4.2.3. Gastos de contratación (CIGO3):……………………………………..56 3.4.2.4. Fletes y acarreos (CIGO4):……………………………………………..56 3.4.2.5. Financiamiento (CIGO5):……………………………………………….57 3.4.2.6. Garantías (CIGO6):………………………………………………………57 3.4.2.7. Imprevistos (CIGO7):……………………………………………………57 3.4.2.8. Utilidad (CIGO8):…………………………………………………………57 3.4.3. COSTOS INDIRECTOS TOTALES…………………………………….....57 3.4.3.1.. Precio final: ……………………………………………………………..58. 3.5. REAJUSTE DE PRECIOS………………………………………………………..59 3.6. PRECIOS A FUTURO ……………………………………………………………..60.

(11) x. CAPITULO IV 4.. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO DE APLICACIÓN………………………….61. 4.1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………...61 4.2. SELECCIÓN DEL PROYECTO………………………………………………….61 4.3. PROYECTO TULIPE……………………………………………………………….62 4.3.1. DESCRIPCIÓN…………………………………………………………………62 CAPITULO V 5.. APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA DE CÁLCULO……………………….70. 5.1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………...70 5.2. APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA DE CÁLCULO EN EL PROYECTO HIDROELÉCTRICO TULIPE..…………………………………………………….70 5.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS…………………………………………………..106 CAPITULO VI 6.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………….116. 6.1. CONCLUSIONES…………………………………………………………………116 6.2. RECOMENDACIONES…………………………………………………………..118. LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO II Figura 2.1. Esquema de minicentral hidroeléctrica…………………………………..3 Figura 2.2. Minicentral tipo pie de presa………………………………………………5 Figura 2.3. Minicentral tipo agua fluyente………………………..…………………….5 Figura 2.4. Minicentral tipo túnel………………………………………………………..5 Figura 2.5. Ubicación de la obra de toma………………………..…………………….8 Figura 2.6. Tipos de canales……………………………………...……………………..9 Figura 2.7. Diseño del desarenador…………………………..………………………10 Figura 2.8. Diseño de la cámara de carga………………………..………………….11 Figura 2.9. Tubería de presión…………………………………………………………12 Figura 2.10. Chimenea de equilibrio……………………………….………………….12.

(12) xi. Figura 2.11. Uniones de tubería…………………………………….…………………13 Figura 2.12. Juntas de expansión………………………………….….………………14 Figura 2.13. Bloques de apoyo……………………………………….………………..15 Figura 2.14. Esquema de fuerzas en la tubería……………………………………...16 Figura 2.15. Implantación de casa de máquinas…………………………………….17 Figura 2.16. Tubo de aspiración…………………………………………..…………..18 Figura 2.17. Diagrama unifilar de minicentral hidroeléctrica………………………..22 Figura 2.18. Diagrama unifilar tablero de servicios auxiliares corriente alterna….23 Figura 2.19. Diagrama unifilar tablero de servicios auxiliares corriente continua..24 Figura 2.20. Diagrama tablero de control del generador y excitatriz……………26 Figura 2.21. Diagrama tablero de sincronización…………………………………..28 Figura 2.22. Sistema SCADA………………………………………………………….29 Figura 2.23. Diagrama de flujo de parada de la unidad…………………………..30 Figura 2.24. Diagrama de flujo de arranque de la unidad…………………………31 Figura 2.25. Diagrama de flujo de cierre de interruptor……………………………32 Figura 2.26 Diagrama de flujo de apertura de interruptor………………………….33. CAPÍTULO IV Figura 4.1. Esquema proyecto Tulipe……….….…………………………………….63 Figura 4.2. Implantación proyecto Tulipe…..…………………………………………65. CAPÍTULO V Figura 5.1. Volúmenes de construcción…….….……………………………………71 Figura 5.2. Datos & Resultado………..…..………………………………………...…73 Figura 5.3. Mano de Obra…………………….….…………………………………….75 Figura 5.4. Herramientas…...…..………………………………….……………...…...78 Figura 5.5. Maquinarias……………………….….…………………………………….79 Figura 5.6. Materiales…..……..…..………………………………….……………...…81 Figura 5.7. Costos Indirectos…………..…….….……………………………………83 Figura 5.8. Cálculo 1…………….……..…..………………………………………...…86.

(13) xii. Figura 5.9. Resultados….…………………….….……………………………………..88 Figura 5.10. Datos y Resultados………….….………………………………………..89 Figura 5.11. Activación Excel………..…..………………………………………...…..90 Figura 5.12. Viñeta de programador……….….………………………………………91 Figura 5.13. Pantalla de programación…...….….……………………………………92 Figura 5.14. UserForm1.………..…..………………………………………...………93 Figura 5.15. Cuadro de herramientas……….….…………………………………….93 Figura 5.16. Primera pantalla Datos del proyecto……………….……………...…...94 Figura 5.17. Programación primera pantalla….…………………………………..….95 Figura 5.18. Segunda pantalla Resultados en porcentaje………………………….95 Figura 5.19. Programación segunda pantalla……..……………………………...….96 Figura 5.20. Tercera pantalla Resultados en modo gráfico………………………...97 Figura 5.21. Programación tercera pantalla…………………….……………...…....97 Figura 5.22. Cuarta pantalla Datos para proyecciones..……………………………98 Figura 5.23. Programación Cuarta pantalla……………………….……………......104 Figura 5.24. Quinta pantalla Proyecciones de Costos……………………………104 Figura 5.25. Programación Quinta pantalla……………………………………...…105 Figura 5.26. Ingreso datos de Tulipe……….….…………………………………….105 Figura 5.27. Variación de condiciones de trabajo……………….……………...….108 Figura 5.28. Gráficos de variación…….….………………………………………….109 Figura 5.29. Variación de mano de obra..………………………………………......110 Figura 5.30. Proyecciones de variación de mano de obra……………………….111 Figura 5.31. Proyecciones de variación de la maquinaria….……………...….....112 Figura 5.32. Proyecciones de variación de los materiales……………………….113 Figura 5.33. Actualización al 2011…….…….….……………………………………114 Figura 5.34. Proyecciones de actualización……………………………………...…115. LISTA DE TABLAS CAPÍTULO II Tabla 2.1. Espaciamiento entre apoyos………………………….…..………………15 Tabla 2.2. Características de turbinas…….…………………………………………..20.

(14) xiii. CAPÍTULO III Tabla 3.1. Días no trabajados………….………………………….…..………………40 Tabla 3.2. Resumen de Cuadrillas.…….……………………………………………..41 Tabla 3.3. Equipos protección personal……………………….…..………………..42 Tabla 3.4. Herramientas cuadrillas eléctricas………………………………………..42 Tabla 3.5. Valor no recuperado de herramientas……….……………………….….43 Tabla 3.6. Valor no recuperado de herramientas por cuadrillas…………………...44 Tabla 3.7. Consumo de combustibles…..……………………….…..………………..47 Tabla 3.8. Consumo de aceites………………………………………………………..48 Tabla 3.9. Coeficientes de reparación…………………………….…..………………49 Tabla 3.10. Alquileres y amortizaciones……….……………………………………..51 Tabla 3.11. Cargos administrativos………….………………….…..………………...52 Tabla 3.12. Cargos técnicos…………………………..……………………………….52 Tabla 3.13. Depreciación y mantenimiento…………..….……………………….….52 Tabla 3.14. Gastos licitación…..……….………………………….…..………………53 Tabla 3.15. Retenciones…………...….……………………………………………….54 Tabla 3.16. Materiales de consumo…………………………….…..…………………54 Tabla 3.17. Promociones……………………..………………………………………..54 Tabla 3.18. Suscripciones………………………………….……………………….….55 Tabla 3.19. Seguros…………….……….………………………….…..………………55 Tabla 3.20. Cargos de campo………….………………………………………………56 Tabla 3.21. Construcciones provisionales…..………………….…..………………..56 Tabla 3.22. Fletes…………………………………...…………………………………..56 Tabla 3.5. Valor no recuperado de herramientas……….……………………….….43. CAPÍTULO IV Tabla 4.1. Caudales……………….…….………………………….…..………………63 Tabla 4.2. Caudales máximos…..……………………………………………………..64 Tabla 4.3. Sedimentos…………………………………………….…..………………..64 Tabla 4.4. Características de la turbina………………………….……………………66.

(15) xiv. Tabla 4.5. Descripción general de obras principales……………………….…........67 Tabla 4.6. Presupuesto a nivel de prefactibilidad……………….…..………………68. CAPÍTULO V Tabla 5.1. Datos y resultados..….…….………………………….…..…………...…106 Tabla 5.2. Diferencia de resultados………………………………………………….107 Tabla 5.3. Incremento de costo de combustible……………….…..……………….107 Tabla 5.4. Resultados de incremento de costo de combustible…………………108 Tabla 5.5. Resultados de variar a buenas las condiciones de trabajo.…............110 Tabla 5.6. Resultados de variar 5% en mano de obra en 5 años.……………….111 Tabla 5.7. Resultados de variar 5% en maquinara en 5 años…..……………….112 Tabla 5.8. Resultados de variar 5% en materiales en 5 años…...……………….113 Tabla 5.9. Porcentaje de variación para actualización…………...……………….114 Tabla 5.10. Resultados de actualización al año 2011…………...…………….…..115.

(16) xv. RESUMEN El país cuenta con una gran cantidad de recursos hidroeléctricos, que no han sido aprovechados, a pesar de que algunos de estos cuentas con estudios a diferentes niveles, muchos de los cuales fueron realizados en la época del INECEL. Se muestra la metodología y requerimientos de diseño de una minicentral hidroeléctrica, que permitan conocer cuáles son los componentes, y diferentes tipos de tecnologías que se pueden seleccionar. Como una manera de impulsar la construcción de minicentrales hidroeléctricas, se desarrolla una metodología de cálculo de costos unitarios, que enmarcada en la leyes vigentes, permita de una forma clara determinar el costo del kilovatio instalado, y del proyecto en total. De tal forma que los inversionistas privados o el Gobierno Nacional, conozcan la inversión que deben realizar para el desarrollo de este tipo de proyectos. Se selecciona un proyecto para aplicar la metodología de cálculo, y realizar una comparación entre los resultados obtenidos en el presente trabajo, y los datos disponibles del mencionado proyecto, para establecer la diferencia entre los costos. Se analizan los resultados obtenidos, y simulan variaciones de los costos de los componentes, para conocer cuál es la influencia en el precio final. Debido a que generalmente este tipo de proyectos no se implementan de forma inmediata, o tardan un par de años en su construcción, o en el caso de los proyectos que cuentan con estudios realizados hace varios años, se utiliza la herramienta de cálculo, desarrollada para facilitar la aplicación de la metodología, con el fin de realizar una proyección de los precios a futuro, o actualización de los mismos..

(17) xvi. PRESENTACIÓN El proyecto de titulación “DETERMINACIÓN DE PRECIOS UNITARIOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE MINICENTRALES HIDROELÉCTRICAS” tiene como objetivo desarrollar una metodología de cálculo que permita obtener de una forma clara y enmarcada en la ley los costos de implementación de un proyecto y así impulsar el desarrollo de los mismos. A continuación se describe brevemente los capítulos que forman parte del proyecto. CAPÍTULO 1: Generalidades. Se realiza una introducción a la necesidad de aprovechar las fuentes de energías renovables, como una forma de reducir los impactos ambientales y satisfacer la creciente demanda de energía. CAPÍTULO 2: Metodología y requerimientos de diseño de las minicentrales hidroeléctricas. Se describen cada uno de los componentes tanto eléctricos como mecánicos, así como ciertos parámetros de diseño que permiten evaluar la utilización de una u otra tecnología que afectarán a los costos CAPÍTULO 3: Metodología de cálculo de costos unitarios. Se desarrolla la metodología de cálculo de los costos, tomando en cuenta las leyes y regulaciones vigentes, para cada uno de los rubros. CAPÍTULO 4: Descripción del proyecto para aplicación. Se realiza la selección de un proyecto hidroeléctrico que cuente con estudios recientes y describen sus principales características para poder aplicar la metodología de cálculo. CAPÍTULO 5: Aplicación de la metodología. Se desarrolla una hoja de cálculo en Excel que facilite la aplicación de la metodología y así poder hacer el análisis de proyecciones y variaciones, así como una comparación con los resultados obtenidos con el estudio anterior. CAPÍTULO 6: Conclusiones y Recomendaciones. En base a la experiencia adquirida en el desarrollo del proyecto, se plantean las conclusiones y recomendaciones relevantes..

(18) xvii. Finalmente se muestran las Referencias Bibliográficas utilizadas para el desarrollo del proyecto, concluyendo con los Anexos donde se incluyeron los cuadros de cálculos obtenidos..

(19) 1. CAPÍTULO I GENERALIDADES 1.1.. INTRODUCCIÓN. La creciente demanda de energía que afrontan todos los países del mundo, y la contaminación ambiental, han vuelto la mirada de los gobiernos en los recursos renovables para generar energía eléctrica a través de sistemas fotovoltaicos, eólicos y de minicentrales hidroeléctricas. Los beneficios ambientales, técnicos y económicos de los proyectos de generación eléctrica que utilizan energías renovables, tienen que ser evaluados oportunamente para conocer si realmente no ocasionarán un impacto ambiental y social negativo en la zona donde serán implantados, así como conocer cuáles serían los efectos sobre el sistema eléctrico al que se conectarían y finalmente si son económicamente atractivos para un inversionista.. 1.2.. OBJETIVOS. GENERAL: Este trabajo se enfoca en la parte económica del desarrollo de proyectos de minicentrales hidroeléctricas, al mostrar de una forma clara como calcular los costos de construcción, y así poder determinar el costo de un kilovatio instalado.. ESPECÍFICOS: !. Conocer cuál es la metodología y requerimientos de diseño de una minicentral hidroeléctrica.. !. Desarrollar una metodología de cálculo, que enmarcada en las leyes vigentes del país, permita determinar el costo de un kilovatio instalado..

(20) 2. !. Desarrollar una metodología de cálculo, que enmarcada en las leyes vigentes del país, permita estimar el costo de un kilovatio instalado a futuro.. 1.3.. ALCANCE. Desarrollar una metodología de cálculo de costos unitarios, que muestre fácilmente como calcular los costos de cada uno de sus componentes, para luego definir el costo del kilovatio instalado y del proyecto total. Seleccionar un proyecto construido recientemente, para aplicar la metodología y obtener los costos unitarios y totales. Con los resultados obtenidos en el presente trabajo, se realizará comparaciones con los costos calculados en la etapa de diseño, y de ser posible con los datos del CONELEC, para conocer la diferencia entre los valores. Por último se presentan las conclusiones y recomendaciones..

(21) 3. CAPÍTULO II METODOLOGÍA Y REQUERIMIENTOS DE DISEÑO DE LAS MINICENTRALES HIDROELÉCTRICAS 2.1.. INTRODUCCIÓN. En este capítulo se describen los tipos de minicentrales así como cada uno de los componentes civiles, mecánicos y eléctricos, ya que es importante en el cálculo de los costos de construcción conocer a que parte corresponden las cantidades de obra.. 2.2.. DEFINICIONES BÁSICAS. Para una mejor compresión se tiene a continuación algunas definiciones básicas de los componentes de una minicentral, así como el rango de potencia considerado, sirve de apoyo la Figura 2.1.. Figura 2.1. Esquema de minicentral hidroeléctrica !. Se considera como minicentral a la que posee una potencia instalada de 50 hasta 500 Kilovatios1.. 1 Plan Maestro de Electrificación 2007 - 2016, CONELEC, 2007, Pág. 138 Tabla 6.6..

(22) 4. !. Azud de derivación: estructura que permite almacenar el líquido, para asegurar el normal funcionamiento de la minicentral, en períodos secos.. !. Obra de Toma: estructura que permite captar las cantidades necesarias de líquido, para el funcionamiento de la minicentral.. !. Desarenador: estructura donde se realiza la limpieza de impurezas y sedimentos del líquido captado.. !. Sistema de conducción: constituido de canales y/o túneles, cuya función es transportar el líquido hacia la cámara de carga.. !. Cámara de carga: estructura donde se almacena el líquido y facilita su ingreso a la tubería de presión.. !. Tubería de presión: resistente a altas presiones, que conduce el líquido hacia la turbina.. !. Turbina: motor hidráulico que transforma la energía cinética en energía mecánica.. !. Generador: elemento electromagnético que transforma la energía mecánica en eléctrica.. !. Casa de máquinas: estructura civil que alberga los elementos hidromecánicos y eléctricos, así como las instalaciones necesarias para la generación de energía.. !. Subestación de transformación: equipos de alto y bajo voltaje, que permite el control, medida y protección de la minicentral.. 2.3.. TIPO DE MINICENTRALES. Existen varios tipos de minicentrales, destinadas a acoplarse a las características propias de cada sitio y así obtener un mejor aprovechamiento de los recursos: !. Aprovechamiento con azud, cámara de carga y tubería de presión, como se mostró en la Figura 1.1, de la página 1.. !. Aprovechamiento de pie de presa, en el cual la casa de máquinas se encuentra inmediatamente después de la represa, ver Figura 2.2..

(23) 5. Figura 2.2. Minicentral tipo pie de presa !. Aprovechamiento de agua fluyente, donde la turbina está incorporada en la presa, como se muestra en la Figura 2.3.. Figura 2.3. Minicentral tipo agua fluyente !. Aprovechamiento con túnel de desvío, solo consta de un túnel y la casa de máquinas al final del mismo, ver Figura 2.4.. Figura 2.4. Minicentral tipo túnel.

(24) 6. 2.4.. COMPONENTES DE UNA MINICENTRALES. Los componentes de una minicentral se dividen en tres grupos que son los componentes civiles, los componentes mecánicos y los componentes eléctricos: 2.4.1. COMPONENTES CIVILES Antes de iniciar con la definición de los componentes civiles, se deben conocer algunos factores que afectan a su vida útil y correcta operación, estos son: !. Sedimento: formado por las pequeñas partículas de material duro y abrasivo que están suspendidas en el agua y pueden ocasionar daños considerables a la turbina, así como un rápido desgaste de la tubería de presión.. !. Avenidas: son aumentos inusuales del caudal del río, los cuales pueden acarrear gran cantidad de materiales y causar daños al azud, obra de toma y muros de contención si no han sido cuidadosamente diseñados. !. Turbulencia: son creados por cambios bruscos en la dirección del agua, estos erosionan las estructuras ocasionando pérdidas de energía y acarreo de sedimentos.. !. Perdida del salto: es la sumatoria de las pérdidas hidráulicas que se presentan a lo largo del sistema, y son consideradas como una disminución de la altura bruta. Son producidas por fricción en el canal de conducción o tubería de presión, por cambio de geometría de la sección, por filtración, por turbulencias, por válvulas, etc.. !. Golpe de ariete: si el flujo de agua en la tubería se detiene bruscamente, se originan sobre-presiones muy altas llamadas golpes de ariete que mueven la tubería, ocasionando daños en los anclajes y apoyos además la tubería debe ser lo suficientemente fuerte para no romperse cuando esto suceda.. Las componentes civiles de una minicentral son: !. Represa o azud.. !. Obra de toma..

(25) 7. !. Aliviaderos.. !. Canal de conducción y/o túnel.. !. Desarenador.. !. Cámara de carga y chimenea de equilibrio. !. Tubería de presión.. !. Anclajes y apoyos de tubería.. !. Casa de máquinas.. 2.4.1.1.. Represas o azudes.-. Su función es almacenar el agua en períodos lluviosos para usarla en períodos de estiaje y elevar el nivel del agua para mejorar el funcionamiento de la obra de toma. Una represa se considera pequeña si su capacidad es menor del millón de metros cúbicos. Las represas no se utilizan en proyectos de minicentrales, por su elevado costo, teniendo como alternativa la construcción de azudes o la utilización de embalses construidos para otros usos: riego, agua potable, etc., siempre y cuando sean compatibles, o se puede sobredimensionar la cámara de carga para que pueda cumplir ese papel. El tipo de azud se selecciona de acuerdo al tipo de terreno en el cual se va a construir y los materiales locales existentes, debe construirse preferentemente sobre suelo rocoso, cuando existen arenas y gravas en abundancia, es recomendable un azud de hormigón del tipo gravedad en las que su peso garantiza la estabilidad, pero se debe comprobar que no existan pérdidas por infiltración. En el Anexo A se describe los tipos de azudes. 2.4.1.2.. Aliviaderos.-. Son estructuras de regulación y protección, permiten eliminar de forma rápida y segura el exceso de agua, evitando daños en las estructuras de almacenamiento.

(26) 8. y conducción, en el Anexo B se describen los tipos de aliviaderos más utilizados, en azudes, canales, desarenador y cámara de carga. 2.4.1.3.. Obra de toma.-. Regula y capta el caudal de diseño, impide el ingreso de material grueso o cuerpos flotantes mediante una rejilla y aísla las estructuras situadas aguas abajo mediante compuertas. Se debe tener en cuenta que: !. Se ubica en tramos rectos y estables del río, como ilustra la Figura 2.5. !. Cuale es el caudal de diseño.. !. Régimen del río, niveles mínimos y máximos, tanto ordinarios como extraordinarios.. !. Geomorfología para detección de fallas, tipo de suelos, etc.. !. Eliminación de materiales, basuras y sedimentos.. !. Medio ambiente.. Figura 2.5. Ubicación de la obra de toma. Se ubica la toma dependiendo de factores como: el topográfico, el geológico, el comportamiento de los suelos, tipo de residuos, tipo de fauna piscícola y principalmente de las variaciones hidrológicas del lugar de emplazamiento. El Anexo C, se encuentran los tipos de obras de toma más utilizadas..

(27) 9. 2.4.1.4.. Canales.-2 3 4. Estructuras diseñadas para trasladar agua, casi siempre son conductos abiertos de sección muy diversa como se aprecia en la Figura 2.6.. Figura 2.6. Tipos de canales. !. Ancho de fondo “Lc”: longitud del fondo del canal, en metros.. !. Altura “Hc”: altura total del canal, en metros.. !. Tirante de agua “tc”: nivel normal del agua en el canal, en metros.. !. Borde libre “fc”: distancia vertical entre el nivel normal del agua al extremo superior de las paredes del canal.. !. Área mojada “Ac”: área de la sección transversal, se calcula dividiendo el caudal para la velocidad del agua.. !. Perímetro mojado “Cc”: longitud de la sección transversal mojada.. 2 Manual de mini y microcentrales Hidráulicas, ITDG - PERÚ, 1995, Pág. 60, 82-90. 3 Manual de pequeña hidráulica, PENCHE Celso, 1998, Pág. 91 – 97, 135 - 143. 4 Las Microcentrales Hidráulicas, NICOLA Gerardo, 1987, Pág. 55..

(28) 10. !. Radio hidráulico “Rc”: define la eficiencia del canal. Se obtiene al dividir el área mojada para el perímetro mojado.. 2.4.1.5.. Rc ". Ac Cc. 2.1. Ac ". Q vc. 2.2. Desarenador.-5 6. Estructura diseñada para reducir la velocidad del agua eliminando turbulencias y permitiendo la decantación de sedimentos en el fondo, para su posterior desalojo a través de una compuerta, como se observa en la Figura 2.7.. Figura 2.7. Diseño del desarenador. Se diseñan para trabajar durante el período de mayor transporte de sedimentos, y las compuertas de limpieza deben ser lo suficientemente grandes para permitir un rápido desalojo de los materiales, reduciendo el tiempo de parada. 5 Las Microcentrales Hidráulicas, NICOLA Gerardo, 1987, Pág. 51-53, 55. 6 Manual de mini y microcentrales Hidráulicas, ITDG - PERÚ, 1995, Pág. 74 – 81..

(29) 11. 2.4.1.6.. Cámara de carga.- 7 8. Está ubicada al final del canal hidráulico y su diseño es igual que el de los desarenadores, debido a que el agua aun puede tener sedimentos, la diferencia radica en la sección de salida ya que se une a la tubería de presión. La eficiencia de la cámara está determinada por el perfil de transición, una aceleración irregular provoca pérdidas y la formación de vórtices superficiales que permiten el ingreso de aire. Un buen perfil da aceleración uniforme mediante la modificación gradual de la sección, como lo muestra la Figura 2.8. Para minimizar los vórtices, la entrada de la tubería esta lo más profundo y con la mayor simetría de flujo posible, además se coloca una plataforma flotante de madera.. Figura 2.8 Diseño de la cámara de carga. 2.4.1.7.. Tubería de presión.-9 10 11. Transporta el caudal necesario desde la cámara de carga hasta la turbina, se compone de los tubos, la chimenea de equilibrio, válvulas, juntas de dilatación, bloques de apoyo y de anclajes, como se aprecia en la Figura 2.9.. 7 Manual de mini y microcentrales Hidráulicas, ITDG - PERÚ, 1995, Pág. 74-81. 8 Manual de pequeña hidráulica, PENCHE Celso, 1998, Pág. 121-123. 9 Las Microcentrales Hidráulicas, NICOLA Gerardo, 1987, Pág. 53. 10 Manual de mini y microcentrales Hidráulicas, ITDG - PERÚ, 1995, Pág. 90-124. 11 Manual de pequeña hidráulica, PENCHE Celso, 1998, Pág. 143-158..

(30) 12. Figura 2.9 Tubería de presión. !. La tubería: debe estar diseñada para resistir la máxima presión hidráulica interna, incluido el golpe de ariete y los esfuerzos de su trabajo como viga. El diámetro se calcula para mantener las pérdidas dentro de los límites razonables y los costos no muy elevados, el material se selecciona de acuerdo a las condiciones del mercado, considerando su peso, volumen, sistema de unión, costo, mantenimiento, transporte al sitio, vida útil, condiciones climáticas, tipo de suelo, etc.. !. Chimenea de equilibrio: controla el golpe de ariete, consiste en un conducto de gran diámetro, con su extremo superior abierto a la atmósfera y el inferior conectado a la tubería como se muestra en la Figura 2.10.. Figura 2.10. Chimenea de equilibrio..

(31) 13. En condiciones normales el nivel de agua en la chimenea es igual al de la cámara de carga, al cerrar o abrir la válvula de la turbina el nivel del agua contenida en la chimenea varía, oscilando hasta estabilizarse. En sistemas pequeños la cámara de carga desempeña esta función. !. Válvulas: se instalan al inicio y al final de la tubería de presión, para controlar el caudal de ingreso a la tubería y a la turbina respectivamente, también para facilitar las labores de mantenimiento. Las más usadas son la válvula de compuerta para la tubería y la de mariposa para la turbina.. !. Uniones: en la selección se consideran aspectos como la adecuación al material de la tubería, la experiencia del personal instalador, el grado de flexibilidad requerido, los costos relativos, la dificultad de la instalación. Los cuatro tipos de uniones se observan en la Figura 2.11.. Figura 2.11. Uniones de tubería. !. Juntas de dilatación: se usa en tuberías de acero, generalmente entre cada dos anclajes consecutivos, la primera se coloca entre la cámara de carga y el anclaje superior, la dilatación se calcula con la siguiente fórmula: E ' " $ * #T * L. E’ = dilatación de la junta [ m ].. 2.3.

(32) 14. $ = coeficiente de dilación lineal del acero: 1,5 *10 %3 [1/ºC]. #T = cambio temperatura experimentada por la tubería [ºC]. L = longitud de la tubería [ m ]. En una tubería enterrada se eliminan juntas porque la arena y la grava son buenos aislantes térmicos, las juntas más usadas se muestran en la Figura 2.12.. Figura 2.12. Juntas de expansión. !. Bloques de apoyo: soportan el peso de la tubería y las fuerzas del fluido, que pueden. ocasionar. movimiento. y. su. posterior. ruptura.. Permiten. el. desplazamiento longitudinal de la tubería al contraerse o dilatarse por variaciones de temperatura. Se construyen en suelo firme y la superficie de contacto se calcula para soportar el peso, sin exceder el límite de resistencia del suelo. Requieren canales de drenaje para evitar la erosión alrededor de los cimientos. La distancia entre los apoyos tiene un límite máximo, para evitar que la tubería se flexione y fracture. La tabla 2.1 muestra la distancia máxima para diferentes tamaños de tubería de acero. Se recomienda usar un soporte por cada pieza de tubería..

(33) 15. ESPACIAMIENTO ENTRE APOYOS PARA TUBERÍAS DE ACERO(m) ESPESOR DIÁMETRO (mm) (mm) 100 200 300 400 500 2 2 2.5 3 3 2 3 3 3 4 4 4 4 4.5 5 6 6 6 Tabla 2.1 Espaciamiento entre apoyos La forma de los bloques de apoyo y las fuerzas que intervienen en ellos, se muestran la Figura 2.13.. Figura 2.13 Bloques de apoyo.. Ry = reacción vertical del suelo contra el apoyo [ N ]. Rx = reacción horizontal del suelo contra el apoyo [ N ]. W = peso del tubo y del agua por unidad longitudinal [ N / m ]. Wx = fuerza longitudinal paralela al tubo [ N ]. Wy = fuerza perpendicular al tubo [ N ]. F2 = fuerza de fricción [ N ]..

(34) 16. !. Los bloques de anclaje: son de concreto, fijan la tubería al terreno y soportan las fuerzas que esta ejerce, se ubican en cambios de dirección, pendiente o sección. La pendiente determina el uso de un anclaje hacia adentro o hacia fuera, los primeros son más estables porque las fuerzas actúan contra el terreno; en los segundos las fuerzas actúan en dirección al aire, por lo cual es importante conocer la magnitud de los ángulos y el tipo de suelo. Los anclajes y las fuerzas que actúan sobre ellos se describen en la Figura 2.14.. Figura 2.14. Esquema de fuerzas en la tubería. L1 = distancia del anclaje al punto medio del tramo (aguas arriba). L2 = longitud de la tubería sujeta a movimiento (hasta junta de expansión). L4 = es la longitud de la tubería a considerar en cada tramo. F1 = componente perpendicular del peso de la tubería con agua. F2 = fuerza de fricción entre la tubería y apoyos. F3 = fuerza de cambios de dirección por presión hidrostática. F4 = componente paralela del peso de la tubería con agua. F5 = fuerza debido a cambios de temperatura en la tubería. F6 =Fuerza de fricción en la junta de dilatación. F7 = fuerza debido a la presión hidrostática. F8 = fuerza por cambio de dirección de la cantidad de movimiento..

(35) 17. 2.4.1.8.. Casa de máquinas.- 12,13,. Estructura civil que alberga los componentes electromecánicos, así como elementos necesarios para su correcta operación y mantenimiento, como se observa en la Figura 2.15.. Figura 2.15. Implantación de casa de máquinas 12. Las Microcentrales Hidráulicas, NICOLA Gerardo, 1987, Pág. 44 - 51. 13. Manual de pequeña hidráulica, PENCHE Celso, 1998, Pág. 161 - 164..

(36) 18. 2.4.2.. COMPONENTES ELECTROMECÁNICO. 2.4.2.1.. Turbinas Hidráulicas.- 14,15,16,17. Motor hidráulico que transforma la energía cinética del agua energía mecánica, constan de las siguientes partes fundamentales: !. Carcasa: cubre y soporta las partes mecánicas de la turbina.. !. Rodete: pieza giratoria cilíndrica con un sistema de álabes, paletas o cucharetas, que transforma la energía cinética en energía mecánica.. !. Sistema de admisión: regula y dirige el caudal de agua hacia el rodete.. !. Tubo de aspiración: recolectará el agua turbinada para conducirla al canal de desagüe, se ubica a continuación del rodete como se aprecia en la Figura 2.16.. Figura 2.16 Tubo de aspiración. Las turbinas se clasifican en dos grandes grupos; de acuerdo a la variación de la presión estática en el rodete; estas son las de impulsión y las de reacción.. 14. Las Microcentrales Hidráulicas, NICOLA Gerardo, 1987, Pág. 171-176 15. Manual de mini y microcentrales Hidráulicas, ITDG - PERÚ, 1995, Pág. 125-127. 16. Manual de pequeña hidráulica, PENCHE Celso, 1998, Pág. 165-172. 17. Plantas hidroeléctricas de potencias pequeñas, ELIN, 1981, Pág. 20..

(37) 19. 2.4.2.1.1. Turbinas de acción: Funcionan bajo presión atmosférica y se ubican sobre el nivel de descarga del agua, el Anexo D describe las características de las siguientes turbinas: !. Turbinas Pelton.. !. Turbinas Turgo.. !. Turbina Michelle- Banki.. 2.4.2.1.2. Turbinas de reacción: La presión estática disminuye entre la entrada y la salida del rodete de acuerdo a la forma de ingreso del flujo, el Anexo E se describen las características de las siguientes turbinas de flujo radial, axial y mixto: !. Turbinas Francis.. !. Turbinas Kaplan.. !. Turbinas de hélice: de tres tipos: bulbo, tubular, y de generador periférico.. Un resumen de los diferentes tipos de turbinas y sus características18, se presenta en la tabla 2.2:. 18. Manual de mini y microcentrales Hidráulicas, ITDG-PERÚ, Pág.127..

(38) 20. TURBINA. ns (rpm). A C C Pelton I Ó Turgo N Michell-Banki. 1CH: 30 2CH: 30-50 4CH: 30-50 6CH: 50-70. R E Francis A C C I Kaplan Ó N Axiales. Lv: 60-150 Nv: 150250 Rv: 250400 300-800. 60 - 260 40 - 160. #Q (m3/s). #H (m). #P (kW) &máx (%). 0,05-50. 30-1800. 2300000. 91. 0,025-10 0,025-5. 15-300 1-50 (200). 5-8000 1-750. 85 82. 1-500. 2-750. 2750000. 94. 1000. 5-80. 94. 600. 5-30. 2200000 100. 300-800. 94. Tabla 2.2. Características de turbinas Donde: ns : velocidad específica de giro de las turbinas [ rpm ]. 3 #Q: rango de caudal en el cual operan las turbinas [ m / s ].. #H: rango de salto en el cual operan las turbinas [ m ]. #P: rango de potencia en el cual operan las turbinas [ Kw ]. &máx: rendimiento máximo de las turbinas [ % ]. CH : número de inyectores en la turbina Pelton. Lv : turbina Francis de velocidad lenta. Nv: turbina Francis de velocidad normal. Rv: turbina Francis de velocidad rápida.. 2.4.2.1.3. Métodos de selección: Existen varios métodos de selección del tipo de turbina, los mismos que están descritos en al Anexo F y estos son: !. Método Gráfico.. !. Velocidad específica.. !. Cavitación..

(39) 21. 2.4.2.2.. Generadores.-. Para la selección deben tomarse en cuenta factores como: la potencia, el tipo de carga a servir, el reducido mantenimiento y la suficiente rigidez para funcionar aún en las condiciones más desfavorables. Los dos tipos de generadores más utilizados son el sincrónico y el asincrónico, aunque actualmente existen generadores de velocidad variable y frecuencia constante que basan su funcionamiento en los convertidores estáticos de corriente, sus limitaciones son la baja potencia y elevado costo. La disposición del generador puede ser horizontal o vertical, independientemente de la configuración de turbina, en las turbinas Kaplan o de Hélice dispuestas en ángulo se utiliza un multiplicador de velocidad a 90º.. 2.4.2.3.. Subestación.-. Acopla los niveles de voltaje de generación y de la red, en zonas de valor ecológico la subestación se ubica en el interior de la casa de máquinas y la salida de los cables de conexión a la red subterránea. La subestación está conformada básicamente por los siguientes elementos: !. Barras de conexión.. !. Seccionadores, disyuntores.. !. Transformador.. !. Elementos de protección como pararrayos, puesta a tierra, etc.. La Figura 2.17 presenta el diagrama unifilar de minicentral hidroeléctrica con una subestación de barra simple, que es muy usada debido a su bajo costo, fácil operación y mantenimiento, a pesar de su baja confiabilidad y continuidad de servicio..

(40) 22. Figura 2.17 Diagrama unifilar de minicentral hidroeléctrica. La potencia del transformador se calcula partiendo de la potencia neta del proyecto, tomado en cuenta los rendimientos de cada uno de los componentes hasta después del generador y recurriendo a los catálogos comerciales de los fabricantes y los niveles de voltaje serán establecidos por el generador y la red a la cual se conectará.. 2.4.2.4.. Tableros de control, protección y medida.-. Para el correcto funcionamiento de los diferentes equipos electromecánicos, se requieren elementos de medida protección y control, agrupados en tableros, los.

(41) 23. cuales facilitan su operación y manteniendo, los cuales se describen a continuación:. 2.4.2.4.1. Sistema de servicios auxiliares El tablero de servicios auxiliares tiene su propio transformador, y es el que provee de energía a los tableros de control, protecciones y medida, como se observa en la Figura 2.18.. Figura 2.18 Diagrama unifilar tablero de servicios auxiliares corriente alterna. Existen sistemas que por su importancia no pueden dejar de operar en caso de una falla, por lo cual estos son alimentados con corriente continua desde el tablero de servicios auxiliares, como se muestra en la figura número 2.19..