Universidad de Chile Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas Departamento de Ingeniera Elctrica EL5001 Introduccin al Taller de Proyecto Semestre Primavera 2011

Informe

Proyecto Central Hidroelectrica El Penon

ndice

1.

Antecedentes ................................................................................................................................................................ 2 1.1. Introduccin ...................................................................................................................................................... 2

2.

Desarrollo del Proyecto Central Hidroelctrica El Peol ............................................................................................... 3 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Descripcin del proyecto ................................................................................................................................... 3 Especificaciones Tcnicas .................................................................................................................................. 4 Memorias de Clculo ....................................................................................................................................... 16 Presupuesto ..................................................................................................................................................... 22 Carta Gantt ...................................................................................................................................................... 23

3. 4.

Conclusiones ............................................................................................................................................................... 25 Bibliografa .................................................................................................................................................................. 26

ndice de figurasFigura 2 Diagrama eleccin de turbina elctrica ................................................................................................................. 16 Figura 2 Determinacin rea factible de eleccin de conductores ..................................................................................... 18 Figura 3 Carta Gantt tentativa............................................................................................................................................. 23

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1. Antecedentes1.1. Introduccin desarrollar un Anteproyecto de la parte elctrica

En su calidad de Ingeniero Consultor se le solicita correspondiente a la Central Hidroelctrica El PEON.

La central El Pen es una central de Pasada que se ubicara en la Provincia de Caete. VIII Regin. La potencia estimada es de 9 MW. Los datos Hidrolgicos son: Caudal: 9,5 Altura neta: 112 m.

El objetivo del presente informe es presentar un anteproyecto para la Central Hidroelctrica de Pasada El Peon, a instalarse en la provincia de Caete en la VIII Regin del Bo Bo, correspondiente a la etapa de Ingeniera Bsica o Conceptual del proyecto. En este informe se vern los siguientes aspectos de este proyecto: -Diagrama Unilineal -Planos de Disposicin -Especificaciones Tcnicas de los Equipos -Memorias de Clculo -Carta Gantt del Proyecto -Presupuesto Base

Con estos antecedentes, podr estudiarse la factibilidad del proyecto y preparar el Diseo Bsico necesario para el proceso de Licitacin.

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2. Desarrollo del Proyecto Central Hidroelctrica El Peol2.1. Descripcin del proyecto

La Central Hidrulica EL Peon, estar ubicada en la provincia de Caete, en la VIII Regin del Bo Bo, a orillas del ro Caete. Las caractersticas hidrolgicas del lugar donde se planea instalar la central indican una altura neta de 112 m, y un caudal de 9,5 . De esto se estima que es posible generar sobre 9 MW de energa elctrica con una central de pasada. Esta funcionar, a grandes rasgos, de la siguiente forma: el agua del ro ser desviada hacia una turbina de tipo Francis, de 9384,48 kW de potencia nominal, acoplada en el eje a un generador sncrono de rotor de polos salientes, que generar energa a 6,9 kV de tensin y una frecuencia de 50 Hz. Dicha energa ser llevada por medio de conductores en barras capsuladas hacia una subestacin elevadora donde se conectar con la red. Adems, la casa de mquinas contar con un transformador de distribucin propio para alimentar servicios auxiliares dentro de la misma. No se requiere, sin embargo, alimentar la excitacin del generador, pues este contar con un sistema de autoexcitacin rotatorio tipo brushless. Finalmente, se pondr un interruptor de poder para desconectar el generador de la red en caso de falla, junto con rels de sobrecorriente y sobretensin en la barra y en el neutro del generador, conectado a tierra, para detectar la presencia de cualquier falla.

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2.2.

Especificaciones Tcnicas

2.2.1.

Generador

1.- Fabricante: Indar Electric 2.- Potencia Nominal: 9,18 [MW] 3.- Potencia Aparente: 10,2 [MVA] 4.- Factor de Potencia Nominal: 0,9 5.- Nmero de Fases: 3 6.- Voltaje Nominal: 6,9 [kV] 7.-Variacin Admitida de Tensin: 8.- Corriente Nominal: 853 [A] 9.- Frecuencia Nominal: 50 [Hz] 10.- Velocidad de Rotacin Nominal: 428,57 [r.p.m.] 11.- Velocidad de Embalamiento (Sobrevelocidad): 820 [r.p.m] 12.-Duracin Velocidad de Embalamiento: 5 13.- Tipo de Rotor: El rotor ser del tipo Polos Salientes. 15.- Nmero de Polos: 14 14.- Disposicin del Eje: Horizontal 15.- Tipo de Conexin de los Bobinados de Estator: Conexin en estrella. 16.- Direccin de Rotacin: Contrario a punteros del reloj, visto desde la turbina. 17.- Momento de Inercia Prctico (+ efecto volante): 39 (+11) . G es el peso y D el dimetro de giro. El volante de inercia es un elemento pasivo que nicamente aporta al sistema una inercia adicional. 18. - Dimensiones: En el diagrama de abajo se pueden ver las dimensiones del generador y parte de la turbina Francis que se utilizar acoplada a su eje: 5%

Donde LR= 3070 [mm], LE= 3250 [mm] , LA=3750 [mm], PA=1900 [mm] , H=2430 [mm], C=800 [mm] , CC=800 [mm], M=4000 [mm], X=2120 [mm] e Y=3250 [mm].

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19.-Peso Total del Generador: 61,5 toneladas. 20.- Instrucciones de Montaje: El Contratista deber transportar a la obra, almacenar, montar y realizar las pruebas de recepcin de montaje del generador y equipos asociados. Las faenas de montaje debern ser supervisadas por los montadores de la fbrica de los generadores. El montaje del generador sincrnico deber efectuarse de acuerdo con las instrucciones de montaje del fabricante, los planos del proyecto y con las especificaciones tcnicas del equipo. Las instrucciones de montaje de los fabricantes de los generadores y dems equipos asociados, debern contener detalladamente todas las directivas e instrucciones especficas sobre cada paso o etapa a cumplir durante el proceso de montaje, haciendo clara mencin de los planos e temes detallados en cada plano. Incluirn un completo y especfico cuadro de secuencias de montaje, incluyendo trabajos de preparacin, auxiliares o de complementacin. Adems, se debern incluir instrucciones detalladas sobre izado y estrobado de piezas mayores de los generadores. En las instrucciones se indicarn claramente todas las dimensiones, cotas, nivelaciones, etc., a cumplir en cada etapa del proceso de montaje con mencin especfica de sus correspondientes tolerancias de montaje. Todas las verificaciones y pruebas en sitio debern quedar protocolizadas.

Pruebas en Fbrica y de Recepcin:

PRUEBAS EN FBRICA A continuacin se indican las pruebas que se deben realizar al generador y equipos asociados.

A)

Exactitud del instrumental de medida:

Para las pruebas de carcter elctrico, se debern emplear instrumentos con clase de precisin 0.2, con certificado de calibracin vigente.

B) 01 02 03 04 05

Pruebas al generador: Resistencia hmica de todos los enrollados. Resistencia de aislacin de los enrollados del estator (ndice de polarizacin) y rotor. Prueba dielctrica del estator y rotor. Determinacin del factor de prdida (tg delta) de la aislacin del generador. Medida de descargas parciales (DP), tensin de cebado y descebado de las DP. Las DP para valores crecientes de tensin de ensayo 20, 40, 60, 80 y 100 % de la tensin nominal. Curva de saturacin en vaco entre 0 y 125% de la tensin nominal. Verificacin de la secuencia de fases. Curva caracterstica de cortocircuito entre 0 y 125% de la corriente nominal. Determinacin de la razn de cortocircuito saturado. Determinacin de las reactancias. Determinacin de las prdidas, a potencia nominal. Prueba de calentamiento a potencia nominal. Anlisis armnico de la onda de tensin en todas las fases y determinacin de los factores de interferencia telefnica.

06 07 08 09 10 11 12 13

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14 15 16 17 18 19 20

Medicin de tensiones inducidas en el eje. Determinacin del momento de inercia. Determinacin de las constantes de tiempo. Equilibrio dinmico y esttico del rotor. Prueba de sobrevelocidad del rotor por 2 min. Medicin del entrehierro. Anlisis qumico y pruebas de resistencia mecnica de materiales y control destructivo de partes, segn normas.

C) 01 02 03 04 05 06 07 08 09

Pruebas al sistema de excitacin: Elevacin de temperatura de la excitatriz rotatoria o de los puentes de tiristores, si corresponde. Distribucin de corrientes en las ramas paralelas de los puentes. Razn de respuesta. Determinacin de la tensin techo. Verificacin del ngulo de disparo y orden encendido de los tiristores, si fuera aplicable. Verificacin de los circuitos de control y regulacin. Pruebas interruptor de campo si corresponde. Verificacin circuitos de medida y sincronizacin. Pruebas dielctricas.

PRUEBAS DE RECEPCIN EN TERRENO Las pruebas y controles que debern efectuarse con ocasin de la recepcin provisional del generador en terreno, sern propuestas oportunamente por el fabricante y aprobadas por el Inspector Jefe. Dichas pruebas sern realizadas por el Contratista, conjuntamente con los montadores o ingenieros de puesta en marcha destacados en la Central por el fabricante y en presencia del Inspector Jefe. En todo caso, debern realizarse al menos las siguientes pruebas: -Prueba de elevacin de temperatura del generador. -Prueba de rigidez dielctrica (tensin aplicada) en los enrollados de armadura y campo y en las celdas durante un minuto, con las tensiones de prueba indicadas en las normas IEC. -Medida ndice de polarizacin. -Verificacin del diagrama P-Q -Pruebas de rechazo de cargas ( a 25%, 50%, 75% y 100% de la potencia nominal, con 100% y 105% de la tensin nominal, con factor de potencia lo ms prximo posible a 0.9) -Media del factor de potencia de la aislacin (Tg delta) por fase. -Medida de las Descargas Parciales por fase en pC.

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21.- Sistema de Excitacin: El sistema de excitacin ser rotatorio tipo "brushless. La excitatriz es del tipo polos exteriores, cuyo inducido alimenta al rotor del generador principal a travs de un rectificador giratorio, que gira solidariamente con el eje principal. Este excitador piloto es a su vez excitado inicialmente por imanes permanentes montados en la estructura giratoria. El sistema de excitacin deber tener una redundancia de un 75%, y estar diseado para regulacin de tensin automtica y manual y tendr interruptor de transferencia "Manual-Automtico", un indicador de concordancia de posiciones y un enclavamiento que facilitar la transferencia de regulacin automtica a manual o viceversa, sin perturbar la excitacin. El suministro incluir los elementos necesarios para una rpida desexcitacin, en el caso de fallas internas del generador o detencin de emergencia de la turbina. El tiempo necesario, para desexcitar el generador desde carga mxima permanente y reducir su tensin en bornes a la tensin remanente, no sobrepasar 5 segundos. Durante esta desexcitacin rpida, la tensin inducida en el enrollado de campo debe permanecer por debajo de la tensin de prueba del enrollado, con un amplio margen de seguridad. El regulador de tensin (AVR) deber ser tipo digital PID o PD y deber limitar el aumento transitorio mximo de la tensin en bornes del generador a: -Quince por ciento (15%) cuando el generador es sometido a un rechazo de carga en condiciones nominales. -Limitar la tensin de excitacin a un valor igual o menor que la tensin techo. Instrumentos de medida y elementos de control del sistema de excitacin: Las celdas de excitacin debern incluir instrumentos de medida local de tensin y corriente de excitacin, selectores de mando y detectores de equilibrio (balance meter). Estos equipos debern montarse en el frente de las celdas.

22.- Temperatura Normal de Trabajo: 70 C 23.- Temperatura Mxima de Trabajo: 80 C 24.- Elevaciones de Temperatura: Las siguientes temperaturas referidas al aire de refrigeracin (zona de salida) no debern ser excedidas: -Temperatura ambiente mxima -Temperatura mxima del aire fro de refrigeracin -Enrollado de armadura, determinado mediante termmetros internos de resistencia -Enrollado de campo, determinado por variacin de resistencia -Temperatura ambiente mnima 25.- Calentamiento: Clase B 26.- Clase de Aislacin Bobinados: F 27.-Nivel de Vibracin: S/CEI 34.14 28.-Nivel de Ruido Acstico Mximo: 88 dB(A) vaco a 1 m. 29.-Altitud Mxima: 1000 m.s.n.m. 30.- Tipo de Ventilacin/Refrigeracin: IC 21 31.- Lubricacin: Se suministrar un equipo para la lubricacin forzada y refrigeracin del aceite de los cojinetes, incluyendo todos los conductos hidrulicos y equipos necesarios para su funcionamiento. 32.- Vida til: >100.000 horas 33.- Rgimen de Servicio: S-1 continuo 34.- Normas Aplicables: El generador estar sujeto a la norma internacional CEI-34. Adicionalmente debe cumplir las siguientes normas de ndole elctrica: : 40 C : : : 40 C 75 K 75 K

: -10 C

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-ANSI C34.2 -ANSI C37.20 -ANSI C50.10 -ANSI C50.12 -ANSI/IEEE 86 -IEEE Std. 100 -IEEE Std. 421 -IEEE Std.421A -ANSI/IEEE Std.43 -IEEE std.95 -IEEE 199 -ANSI/IEEE Std 421B -ANSI/IEEE Std. 433 En cuanto a las normas de carcter mecnico, las normas para los materiales primarios sern las indicadas en el Contrato. En aspectos no cubiertos por dichas normas se adoptar, en lo pertinente, lo sealado en la norma American Society for Testing Materials (ASTM) de U.S.A. Las tuberas y bridas (flanges) estarn regidas por una sola norma para todo el suministro, por razones de uniformidad. Las pruebas de rotacin (run-out) se realizarn de acuerdo a la ltima edicin de las normas NEMA Large hydraulic-turbine-driven-synchronous generators and reversible synchronous generator/motor units for pumped storage (publication MG 5.1) e installation of vertical hydraulic turbine-driven generators and reversible generator/motors for pumped storage installations (publication N MG 5.2). La calificacin de los procesos de soldadura y la calificacin de los soldadores, se efectuar de acuerdo a las disposiciones de las Secciones VIII y IX de las normas ASME. 35.- Precio: USD $1.800.000

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2.2.2.

Turbina

1.-Fabricante: Andritz Hydro 2.-Tipo: Francis 3.- Velocidad Nominal: 428,5 [r.p.m.] 4.- Caudal de Diseo: 9,5 5.- Altura Neta Cada: 112 [m] 6.-Eficiencia peak: 90% 7.-Potencia Nominal: 9384,48 [kW] 8.-Caudal de Sobrecarga Mximo: 105% 9.-Caudal Mnimo de Operacin: 40% 10.-Disposicin del Eje: Horizontal 11.-Direccin de Rotacin: En sentido horario, visto desde el generador. 12.-Velocidad Especfica: 131,5 [r.p.m.] 13.- Primera Velocidad Crtica: 125% 14.-Componentes: - Vlvula de Mariposa: Regula el flujo de agua a la entrada de la turbina. -Cmara Espiral: Se encarga de que la velocidad del agua sea uniforme en todo el distribuidor. El diseo del caracol deber considerar que esta pieza ser sometida a una prueba de presin equivalente a 1,5 veces la presin mxima de servicio. -Distribuidor: Contiene labes mviles, que permiten regular el caudal de la turbina. Los labes mviles debern ser de acero inoxidable del tipo 13% Cr y 4% Ni. Los cojinetes de los labes mviles debern ser del tipo autolubricados. -Rodete: Parte mvil, donde ocurre el intercambio de energa entre la mquina y el fluido. Estar hecho de acero inoxidable 13Cr 4Ni. Su peso ser de 3,22 toneladas. -Eje: El eje ser fabricado de acero forjado, de una sola pieza. -Difusor: Da salida al agua de la tubera y al mismo tiempo procura una ganancia en carga esttica hasta el valor de la presin atmosfrica. - Anillo de Regulacin. -Cojinete de Empuje: Soporta el peso de la estructura. 15.- Dimetro del Rodete: 1,29 [m] 16.- Dimetro del Eje: 0,32 [m] 17.- Peso Total: 59,4 toneladas 18.- Montaje: Mediante Puente Gra de 50/5 [t]. 19.- Cotas de Instalacin de la Turbina: 937 [m.s.n.m.] 20.- Normas Aplicables: - ISO 7919-5 - ISO 10816-5.

21.- Precio: USD $800.00.-

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2.2.3. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Interruptor

Fabricante: General Electric Voltaje Nominal: Hasta 27kV Corriente Nominal: 1200 A Corriente Falla: 25 KA Dimensiones: Normas: ANSI C37.06 ANSI C37.09 ANSI C37.54 ANSI C37.55 7. RatedTransientRecoveryVoltage a. RatedPeakVoltage : 51kV b. Rated Time toPeak: 105us 8. InterruptingTimeCycles: 5 9. Precio Dispositivo : 19,900.00 USD 10. Precio Estructura : 5,900.00 USD

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2.2.4. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Rel Sobretensin [1]

Fabricante: Siemens Voltaje Nominal: 8.25-15.0 kV Frecuencia: 50-60Hz Rated Short-Duration Power-Frequency Withstand Voltage: 36kV Rated Lightning Impulse Withstand Voltage: 95kV Rated Short-Time Withstand Current, Two Seconds: 25kA Fused Short-Circuit Current Rating: 63kA Hasta 27,6 kV, 20 kA (con fusible o sin fusible), 125 kV BIL Hasta 15 kV, 63 kA (con fusible)/25 kA (sin fusible), 95 kV BIL Norma: a. ANSI C.37 b. IEEE 20.3 3 11. Dimensiones: 750x1230x2850 [cm ] 12. 1000 OperacionesMecnicas. 13. Precio: 5,900.00 USD

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2.2.5. 1. 2.

Rel Sobrecorriente [1]

Fabricante: ABB Corriente Pickup Nominal: Rango 0.1-0.5 0.5-2-0 1.5-6.0 2.5-5.0 4-12 Tap 0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.4,0.5 0-5,0.6,0.8,1.0,1.2,1.5,2.0 1.5,2.0,2.5,3,4,5,6 2.5,2.8,3.1,3.5,4.0,4.5,5.0 4,5,6,7,8,10,12

3.

Corriente Entrada Resistible: Tiempo 1 segundo Rango Tap 0.1-0.5 0.5-2.0 1.5-6.0 2.5-5.0 4-12 Todos Rangos Corriente entrada (TCSecundario) 300 multiplos del Pickup Tap o 235 rms o cualquiera que sea menor.

Continuo 4. 5.

1.5 multiplos del Tap Pickup

6. 7. 8.

Rango Temperatura: 20[C]-70[C] Salida nominal circuito: a. Tiristor Modelo SCR: i. 30 Amperes, 6 cycles ii. 15 Aperes, 1segundo iii. 1 Ampere Continuo Inmunidad Transiente: Mas de 2500V, 1MHz. Norma: ANSI C37.90.1 SWC Peso: 2.3kg (sin caja)

12

2.2.6. 1. 2. 3. 4. 5.

Rel Proteccin 87g Diferencial Generador [1]

6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

13.

14. 15.

Fabricante: Hyunday. Corriente Nominal: 5[A]. Carga inferior a 0.1 VA/Fase Frecuencia Nominal: 60[hz] Temperatura de Operacin Garantizada: -10 a 55 [C] Sobrecarga Corriente Cortocircuito: a. 4xCorriente Nominal: Durante 3 horas. b. 20xCorriente Nominal: Durante 10 segundos. Aislacin Resistiva: 48Vdc, 10[M ] Consumo de Potencia: Siempre menor a 6W Norma: a. EN 60255-26:2005 Dimensiones:1000mm(W)x105mm(H)x121mm(D) Peso: 0.8[kg] Burst Immunity: 2kV,5kHz Surge Immunity: a. Lnea a tierra: 2kV b. Lnea Lnea: 1kV Descarga Electrosttica: a. Aire: 8kv b. Contacto: 6kV Campo electromagntico: 80Mhz-1Ghz, 1.4-2.7GHz Emisin Radaciaciones: a. 30-230MHz: 40dBuV/m b. 230-1000MHz: 47dBuV/m

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2.2.7. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Transformador Corriente Medida

Fabricante: Tait Tension Servicio: hasta 15kV Corriente Primaria Nominal: 5 a 250 A Corriente Secundaria Nominal: 5 1A Aislacin: Seca-Resina Uso: Interperie Frecuencia: 50-60Hz Factor Seguridad: