Generación de energía por medios alternativos e innovadores en sistemas de

distribución de agua potable. Control e Instrumentación.

Energías alternativas

Viento: Eólica [molinos, aerogeneradores]

Sol: Solar [fotovoltaica, térmica]

Mar: Mareomotriz

Tierra: Geotérmica

Presión: Piezorresistiva

Ríos: Hidro-cinética [turbinas]

Gravedad: Hidráulica [turbinas, ruedas de agua]

Átomos: Atómica [Fisión y fusión nuclear]

Energía Hidro-cinética

Se aprovecha la velocidad del agua que discurre por unrio o canal. La energía cinética se transforma en energíamecánica y a su vez en energía eléctrica.

Energía Hidro-cinética

Se aprovecha la velocidad delagua que discurre por un rio ocanal. La energía cinética setransforma en energía mecánica ya su vez en energía eléctrica.

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

Tubería para transporte de agua potable de madera de Olmo descubierta en la calle principal, Gosport 1936.

http://www.portsmouthwater.co.uk/about-us/default2.aspx?id=5410

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

La ecuación de movimiento para un flujo estable es:

Dónde: z1 y z2, son las elevaciones alcentro de la tubería (punto de referenciaarbitrario), h1 y h2 son las cabezas depresión, V1 y V2 son las velocidadespromedio en las secciones 1 y 2,respectivamente, g la aceleración de lagravedad y hL es la pérdida de la cabezaentre las secciones 1 y 2.

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

Las pérdidas menores se deben a los accesorios (curvas, codos, válvulas, ampliaciones,reducciones, otros), así como a las válvulas (compuerta, globo, mariposa), medidoresde agua y otros.

La ecuación para la estimación de las pérdida menores es:

Donde kf o km, es coeficiente de pérdidamenor o del accesorio, V es la velocidadpromedio del fluido y esta dado en m/s yg es la aceleración de la gravedad de m/s2.

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

Se aprovecha la velocidad del agua que discurre por unatubería presurizada. La energía cinética se transformaen energía mecánica y a su vez en energía eléctrica.

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

Se aprovecha la velocidad del agua que discurre por unatubería presurizada. La energía cinética se transformaen energía mecánica y a su vez en energía eléctrica.

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

Se aprovecha la velocidad del agua que discurre por unatubería presurizada. La energía cinética se transformaen energía mecánica y a su vez en energía eléctrica.

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

Energía Hidro-cinética en redes de distribución de agua potable.

¿Y para qué?

¡Ese no es mi Core Business!

¿Y para qué?

Sistemas de Instrumentación, Supervisión, Control y Adquisición de Datos en tiempo real SCADA.

¿Qué se necesita? “Energía eléctrica”.

• Control de variables hidráulicas paraoperación optima de la red dedistribución: presión, caudal, nivel,entre otros.

• Control de la calidad del agua potabledistribuida: pH, turbidez, temperatura,Cloro libre, Color, Conductividad, entreotros.

¿Qué se necesita?

¿Qué se necesita?

¿Qué se necesita?

Sistemas de control sobre la producción de energía.

Empresas de acueducto con visión...

¿Por qué es innovadora?

Utilizamos el flujo y presión de la red de distribución de agua potable de la ciudad

Podemos cambiar las válvulas reductoras de presión por PCH.

Optimizar esa energía hidro-cinética (con unas turbinas tipo Francis.)

Tenemos la materia prima (Energía hidrocinética)

Podemos adquirir la maquinaria (Turbogeneradores)

Obtenemos Producto final (Energía Eléctrica con calidad)

Lo que debemos tener en cuenta

Frecuencia de generación.

Voltaje o potencial eléctrico

Sincronismo (si se entra a la red eléctrica)

Pico Centrales Hidroeléctricas (1 y 10 kW)

Micro Centrales Hidroeléctricas (10 y 100 kW)

Mini Centrales Hidroeléctricas (100 y 1.000 kW)

Pequeñas Centrales Hidroeléctricas (1.000 y 20.000kW)

Algunos datos Las centrales hidroeléctricas son una fuente de energía renovable

importante para la seguridad energética del país. Colombia es un país con una gran riqueza hídrica, por esto se

pueden realizar proyectos de este tipo de generación de energía limpia.

Las grandes centrales hidroeléctrica han dominado el sector en Colombia, pero su construcción conlleva a impactos (ecológicos, inundación de tierras, reasentamientos humanos ) lo que desarrollar este tipo de proyectos sea cada vez más difícil.

Las PCHs, en cambio, se presentan como una alternativa amigable con el medio ambiente, que requieren de una inversión más baja y menor tiempo para entrar en funcionamiento.

En Colombia las Energías Alternativas están incrementado su potencial, en especial las Pequeñas Centrales hidroeléctricas, las cuales pueden estar superando las 250 PCHs a la fecha.

Micro central hidroeléctrica

Laboratorio de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, adscrito a la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Valle

¡En Colombia ya existen PCH!

En la ciudad de Bogotá se han implementado hasta el momento dos de tres PCH de un proyecto, para el aprovechamiento de dicha energía.

Usaquén

¡En Colombia ya existen PCH!

Suba

La nueva central hidroeléctrica de Suba acaba de ser registrada por las Naciones Unidas como uno de los proyectos de mecanismo de desarrollo limpio, cumpliendo así uno de los compromisos del Protocolo de Kioto al que se suscribió Colombia.

Control e Instrumentación FILOSOFÍA DE CONTROL: Determinamos a través de un FIT si el caudal está dentro del

rango de trabajo donde funcione con la eficiencia y potencia calculada para la PCH, será coordinado por la apertura y control de los álabes de la turbina y el cierre de las válvulas de bypass, todo esto por PLC, el cual puede estar incorporado en el equipo turbogenerador.

Transformación de energía hidráulica en mecánica (movimiento) Se necesita un proceso de conversión de energía mecánica a

eléctrica (fuerza electromotriz) Control de sistemas auxiliares. La integración de los dos controles me permite obtener la mejor

producto con una gestión de energía optima, por tal motivo debo tener en cuenta estos dos tipos de control

Los sistemas de control, instrumentación y las protecciones serán diseñados para asegurar la correcta operación de la PCH, con el siguiente orden de prioridades:

Seguridad del personal y de visitantes eventuales.

Seguridad del sistema de la red de distribución.

Continuidad del caudal de agua requerido en el sistema.

Seguridad de los equipos y sistemas.

Generación de energía.

Todos los elementos o dispositivos que generan señales de variables a ser supervisadas y/o controladas serán conectados directa y físicamente a las tarjetas de entrada y salida del controlador (PLC Turbo-Generador), éste a su vez estará conectado al servidor con un HMI, a través de otro PLC o BPCS,paravisualización, análisis y almacenamiento de datos, por medio de una red Ethernet o cualquier otro protocolo de comunicación según el diseño o requerimientos

Los elementos Mínimos a ser controlados por el PCL o BPCS

Los álabes de la turbina Unidad hidráulica del regulador de velocidad Control de frenos Actuadores de las Válvulas de Bypass Actuadores de la Válvula de Guarda aguas arriba de la turbina Actuadores de la válvula de guarda aguas abajo de la turbina Actuador Válvula de seguridad Indicador de falla general del sitio Caudal de entrada a la PCH Posición de apertura de la válvula de seguridad Posición de apertura de la válvula de guarda aguas arriba de la turbina Posición de apertura de la válvula de compuerta aguas abajo Presión aguas arriba y aguas abajo de la PCH

Los elementos Mínimos a ser controlados por el PCL o BPCS

Calidad de Agua a la entrada y salida de la PCH

Posición de los álabes directrices de la turbina

Posición de apertura de las válvulas de bypass

Velocidad de operación de la turbina

Condición de la turbina Operando/Parada

Condiciones de la unidad de potencia hidráulica de la turbina

Condiciones de la unidad de potencia hidráulica de la válvula de seguridad

Condiciones y parámetros eléctricos de generación

Temperaturas en cojinetes y devanados del generador

Selector local/Remoto

Comandos locales para parada de emergencia de la turbina

Arquitectura de control

Arquitectura de control

Arquitectura de control En un sistema de control y automatización de una PCH se

puede considerar, de manera general, el siguiente modelo de control típico por niveles jerárquicos de control:

Nivel 0 control de equipos – Modo Local Manual. (instrumentos y equipos de campo).

Nivel 1 control individual – Modo Local Manual. (En la PCH y equipos con autómatas incorporados).

Nivel 2 control de grupo – Modo Local Manual / Automático. (PLC- BPCS).

Nivel 3 control del sistema –Control y Supervisión. (En la sala de operación «CCO» de la PCH).

P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)

Referencia Bibliográfica

http://shplab.univalle.edu.co/

http://www.bogota.gov.co/article/nueva-central-hidroel%C3%A9ctrica-de-suba-genera-energ%C3%ADa-limpia

http://bdigital.uao.edu.co/bitstream/10614/5732/1/T03765

http://e-archivo.uc3m.es/handle/10016/17979

http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/17979/PFC_JavierF_Feliz_Juarez.pdf?sequence=1