Microturbinas para generación eléctrica en redes de abastecimiento de agua potable de Cataluña

MEMORIA Autor: Víctor Sanz Noguera Director: Miguel Villarrubia Convocatoria: Octubre 2013 Máster Interuniversitario UB-UPC de Ingeniería en Energía MICROTURBINAS PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA EN REDES DE ABASTECIEMIENTO DE AGUA POTABLE DE CATALUÑA Máster Interuniversitario UB-UPC de Ingeniería en Energía Aceptación de presentación del Trabajo Final de Máster y defensa pública. DIRECTOR DEL PROYECTO Miguel Villarubia Fdo. Fecha: Alumno: Víctor Sanz Noguera DNI: 53033553-S Titulo: Microturbinas para generación eléctrica en redes de abastecimiento de agua potable en Cataluña. Fdo. RESUMEN La búsqueda de energías alternativas, renovables, no contaminantes e inagotables está en la orden del día. En esta memoria se da una idea de cómo obtener energía de este tipo a partir de microturbinas instaladas en las redes de abastecimiento de agua potable. Aunque de una única microturbina no se obtienen grandes potencias, la implantación de forma distribuida y masiva puede ser interesante. Por tanto se realiza un estudio de los lugares susceptibles de implantación dentro de la provincia de Barcelona y de la potencia eléctrica que se obtendría. Los estudios realizados en esta memoria son extrapolables a otras zonas geográficas. Microturbinas para generación eléctrica en redes de abastecimiento de agua potable 1 INDICE 1.- Introducción. ............................................................................................................................ 3 2.- Objetivos. ................................................................................................................................. 4 3.- Fundamentos de la hidráulica. ................................................................................................. 5 3.1.- Definiciones y nomenclatura ............................................................................................ 5 3.2.- Cálculo del recurso disponible .......................................................................................... 7 4.- Descripción general y metodología de diseño. ...................................................................... 11 5.- Recursos y redes de abastecimiento...................................................................................... 13 6.- Definición técnica del problema. ........................................................................................... 16 7.- Diseño de la instalación. ........................................................................................................ 19 7.1.- Instalación hidráulica ...................................................................................................... 19 7.1.1.- Turbina hidráulica .................................................................................................... 20 Cálculo y elección de la turbina. ............................................................................... 25 Calculo número específico de revoluciones de la turbina................................... 27 7.1.2.-Válvula reductora ...................................................................................................... 29 7.1.3.- Válvula de mariposa ................................................................................................. 35 7.1.4.- Filtro ......................................................................................................................... 36 7.1.5.- Válvula de llenado .................................................................................................... 37 7.1.6.- Electro válvulas. ....................................................................................................... 39 7.1.7.- Turbina escogida. ..................................................................................................... 40 7.2.- Instalación Eléctrica. ....................................................................................................... 42 7.2.1.- Calculo potencia eléctrica estimada. ....................................................................... 43 7.2.2.- Generador Asíncrono. .............................................................................................. 43 7.2.3.- Batería de condensadores. ...................................................................................... 44 7.2.4.- Centro de transformación ........................................................................................ 45 7.3.- Sistema de control de la instalación ............................................................................... 46 7.3.1.- Regulación y control de la instalación hidráulica ..................................................... 46 Fase en reposo con válvula de llenado cerrada. .................................................... 48 Fase de proceso de apertura y estabilización. ....................................................... 48 Fase en estado constante con válvula de llenado abierta. .................................. 49 Fase transitoria de cerrado de la válvula de llenado. .......................................... 50 7.3.2.- Regulación automática de la velocidad del generador. ........................................... 52 Microturbinas para generación eléctrica en redes de abastecimiento de agua potable 2 8.- Tipología general de selección para instalación viable técnicamente. .................................. 54 9.- Viabilidad económica. ............................................................................................................ 55 9.1.- Ingresos previstos anuales. ............................................................................................. 55 9.2.- Calculo de la inversión y gastos de explotación. ............................................................. 56 9.3.- Pay-Back o periodo de retorno. ...................................................................................... 57 9.4.- Índice de Energía (IE). ..................................................................................................... 57 9.5.- Índice de Potencia (IP). ................................................................................................... 57 10.- Implantación a gran escala. ................................................................................................. 58 11.- Conclusiones. ....................................................................................................................... 60 12.- Anexos. ................................................................................................................................. 61 ANEXO 6 ....................................................................................................................... 69 Direcciones y teléfonos centros ATLL .......................................................................... 69 12.- Bibliografía. .......................................................................................................................... 74 Introducción 3 1.- Introducción. La necesidad de la obtención de energía a partir de recursos renovables, junto con la necesidad de instalar válvulas reductoras de presión en las redes de subministro de agua potable para reducir la presión de estas, me ha conducido a la idea de utilizar microturbinas en la redes de subministro para que a la vez que se reduce la presión se aproveche dicho trabajo para la generación de energía eléctrica. Basando el proyecto en un estudio tipo de la redes de suministro de la provincia de Barcelona es extrapolable a diferentes instalaciones, donde las variables a tener en cuenta se definen en capítulos posteriores. A lo largo del proyecto se estudiarán las diferentes turbinas a implantar en función del recurso disponible, los recursos disponibles en una zona concreta (provincia de Barcelona y alrededores), y un ejemplo concreto de implantación, incluido su viabilidad técnica y económica. Objetivos 4 2.- Objetivos. El objetivo de este estudio es averiguar la viabilidad técnica y económica de generación de electricidad a partir de microturbinas instaladas en las tuberías de agua potable. Concretamente de las tuberías que abastecen la provincia de Barcelona. Se pretende localizar el recurso disponible, y de todos ellos, averiguar cuáles son susceptibles para la implantación de microturbinas. Esto se pretende tanto en los casos donde ya existe una válvula reductora de presión instalada, como en los que no. Además se entrará en detalle en la implantación de la microturbina en paralelo o en serie a la reductora, en los casos donde concierna. Aunque la potencia de una microturbina no es comparable a las que pueden llegar a dar las centrales hidroeléctricas, se pretende estimar que potencia se podría obtener de forma distribuida y global en una zona geográfica mediante este tipo de microturbinas. Se realiza el estudio concreto de un recurso disponible y viable, el cual se puede tomar como plantilla ejemplo para el estudio de resto de recursos disponibles. Fundamentos de hidráulica 5 3.- Fundamentos de la hidráulica. En este capítulo se muestran los conceptos básicos de hidráulica necesarios para el estudio de centrales minihidráulicas, concretamente para minicentrales en redes de abastecimiento a poblaciones, incluyendo la teoría de cómo realizar el cálculo del recurso disponible. Por tanto se contemplan todos los conceptos y ecuaciones necesarios para el desarrollo técnico del proyecto. 3.1.- Definiciones y nomenclatura A continuación se definen las magnitudes a utilizar. Presión: Definida como fuerza por unidad de superficie, la presión p que ejerce una columna de líquido de altura z viene dada por: z g p · · ρ = Donde: ρ: densidad del líquido, en el caso de agua 1000 kg/m 3 . g: aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ). z: altura de la columna de líquido (m). En hidráulica es común referirse a la presión a través de la altura equivalente de columna de liquido (z). La equivalencia se establece a partir de la siguiente fórmula: g p z· ρ = Con esto, por ejemplo una presión de 10bar equivale a 102mca. Unidades de medida bar atmósferas Pa = N/m 2 . m.c.a bar 1 bar 1bar = 0,987 atm. 1 bar = 100 KPa. 10,2 mca. Figura 1: Tabla de equivalencias de unidades de medida para medir la presión. Caudal: El caudal a través de una sección es la cantidad de fluido que circula por unidad de tiempo a través de dicha sección. En hidráulica normalmente se utiliza el Caudal volumétrico (Q), referido al volumen y medido en m 3 /s. AvQ · = En las tuberías objeto de estudio en este proyecto el área siempre será, 2 4 DA π = Siendo D el diámetro interior de la tubería. Fundamentos de hidráulica 6 Altura neta (H n ): Es la altura teóricamente aprovechable en la turbina, sin tener en cuenta los rendimientos. Coincide con la caída de presión entre la entrada y salida de la turbina (entre los puntos E y S del dibujo). De esta altura neta, una parte es H E y la otra se pierde en rozamientos internos entre el fluido y la máquina. Altura útil (H E ): También llamada altura de Euler. Es la altura aprovechable por el rodete de la turbina y que se convierte en trabajo. Altura bruta (H b ): Es la altura total del salto en metros. En la figura 2, desde el nivel superior del embalse hasta el canal de desagüe. Potencia útil (P u ): Es la potencia en Vatios (W) que genera la turbina debido al salto de presión. ( ) QhgPu ∆= ··· ρη Q (m 3 /s): Caudal de agua que atraviesa la tubería y por tanto la turbina. Δh (m.c.a): Metros columna de agua, es el salto de presión determinado en la turbina, o altura neta (H n ). También puede ser la caída de presión de una válvula reductora de presión, en caso que se sustituya esta por una turbina. η: Rendimiento de la instalación. ρ (kg/m 3 ): Densidad, en este caso al de agua es 1000 (kg/m 3 ). g (m/s 2 ): gravedad, 9,81 m/s 2 . H b > H n > H E H n = H b – H perdidas tuberías. Figura 2: Esquema típico de un embalse Recursos y redes de abastecimiento 13 5.- Recursos y redes de abastecimiento En este capítulo se realiza un estudio del recurso existente. Se busca información en las diferentes compañías de agua para obtener los diámetros, caudales y presiones de la red de abastecimiento que llega a Barcelona. La red de distribución de Aguas - Ter Llobregat (ATLL) recibe el agua de los ríos de los cuales toma su nombre, Llobregat y Ter, y de la planta desalinizadora de la cuenca del Llobregat. La captación de agua proveniente del río Llobregat se realiza en la planta de tratamiento (ETAP) ubicada en el término municipal de Abrera. El agua proveniente del río Ter se capta en el embalse del Pasteral, aguas abajo de los embalses de Sau y Susqueda. Desde esta captación llega a la ETAP del Ter, situada en los términos municipales de Llinars del Vallès, Cardedeu y La Roca del Vallès. Una vez potabilizada el agua se almacena en los depósitos generales de ambas plantas para ser distribuida, a través de la red, hasta los puntos de entrega de los municipios que forman parte del abastecimiento de ATLL. La desalinizadora de la cuenca del Llobregat aporta hasta un máximo de 60 Hm3/any de agua, que una vez producida se bombea hasta el depósito de Fontsanta en Sant Joan Despí. Esta red de distribución la constituyen diferentes arterias y derivaciones: 1. Las arterias generales de distribución. 2. Los depósitos de regulación supramunicipal. 3. Las tuberías comarcales. 4. Las tuberías de derivación municipales. 5. Los depósitos de cabecera municipal. 6. Las estaciones de bombeo. En general, el abastecimiento en alta realizado por ATLL se organiza de la siguiente manera: • Las arterias generales de distribución son tuberías principales que estructuran el ámbito de abastecimiento de ATLL. Se utilizan para transportar el agua desde las plantas de tratamiento hasta los centros generales de distribución, donde se almacena en los depósitos de regulación supramunicipales. Por otra parte, estas mismas arterias generales son el origen de muchas de las tuberías comarcales, así como también de algunas de las derivaciones municipales del sistema ATLL. • Las tuberías comarcales se originan tanto en los depósitos de regulación como en las arterias generales, y conectan diferentes municipios correspondientes a una zona geográfica muy concreta, definida por una o dos comarcas adyacentes. • Finalmente, las tubería de derivación municipales, que pueden originarse tanto en arterias generales como comarcales, conducen el agua hasta los depósitos de cabecera municipal de nuestros clientes, punto donde ATLL finaliza su tarea y a partir del cual se inicia, a través de las redes propias de cada municipio, el abastecimiento domiciliario en baja. La bipolaridad marcada por las infraestructuras de captación en dos zonas, Ter y Llobregat, se transmite asimismo en la estructura de toda la red de distribución, existiendo también en la actualidad dos zonas básicas de distribución, la formada por las arterias de la zona Ter y la de las arterias de la zona Llobregat. De todos modos, así como antes esta división correspondía directamente con el ámbito de procedencia exclusiva del agua (agua del Ter o agua del Llobregat), hoy día y en el futuro Recursos y redes de abastecimiento 14 de una manera más significativa, esta división tiene solamente un objetivo territorial, ya que actualmente se dispone de una arteria general de interconexión de ambas zonas. La red de distribución ATLL tiene en la actualidad 535 Km. de tuberías de diversos diámetros, 141 depósitos gestionados total o parcialmente por ATLL, 56 estaciones de bombeo y 219 puntos de suministro donde finaliza el abastecimiento en alta gestionado por ATLL. En conjunto el sistema abastece agua potabilizada directamente a 88 municipios, agua pretratada a 5 municipios, e indirectamente a 15 municipios más, que son los que forman parte de la red metropolitana de Barcelona. Estos municipios se distribuyen en 8 comarcas: Barcelonès, Vallès Oriental, Vallès Occidental, Maresme, Baix Llobregat, Anoia, Alt Penedès y Garraf. Finalmente, la población total abastecida por ATLL, teniendo en cuenta tanto la fija como la estacional, es de unos 4,5 millones de habitantes. En el mapa del anexo 1 está representada la red regional con las obras construidas hasta 1990, las ampliaciones y substituciones entre 1990 y 2007, y la red en construcción y la que está en proyecto, así como el emplazamiento de las diferentes instalaciones de ATLL. A partir de lo explicado en este capítulo y de la documentación bibliográfica consultada, se resume a continuación los recursos que abastecen la provincia de Barcelona. Los cuales también se puede observar en el plano anexo 2. Aguas Ter – Llobregat (ATLL). Dispone de dos estaciones de tratamiento de aguas potables (ETAP), una situada en Abrera, que toma agua del río Llobregat, y otra situada en los términos municipales de La Roca del Vallès, Cardedeu y Llinars del Vallès, que trata los caudales procedentes del río Ter. La ETAP Llobregat situada en Abrera tiene una capacidad de tratamiento de 4 m 3 /s. Almacena el agua clorada en 4 depósitos de 263.000 m 3 que permiten garantizar el suministro del caudal de las diferentes redes con independencia de la calidad del agua del río. Datos técnicos en anexo 3. - Situación: Ctra. Martorell a Olesa, km. 4.6. 08630 Abrera - Altitud sobre nivel del mar: 110 m La ETAP del Ter se sitúa en los términos municipales de Cardedeu, Llinars y La Roca del Vallès. La planta tiene una capacidad de tratamiento de 8 m 3 /s y puede almacenar hasta 617.000 m 3 . Datos técnicos en anexo 4. - Situación: c/ Afores s/n. 08440 Cardedeu. - Altitud sobre nivel del mar: 200m Recursos y redes de abastecimiento 15 La ETAP de Fontsanta. El agua tratada aquí proviene de la planta desalinizadora de la cuenca del Llobregat. Por tanto se impulsa a través de unas bombas para hacerla llegar. De igual forma debido a su poca altitud sobre el nivel del mar también son necesarios dos centrales de bombeo para impulsar el agua hasta la cota 10 (Cornellá), 3300 l/s, cota 50 (Relleu), 2600 l/s, y cota 70 (zona Gavá), 400 l/s. - Situación: Sant Martí de l'Erm, 30. 08970 Sant Joan Despí - Altitud sobre nivel del mar: 70m La ETAP del Besos (Trinidad). El agua que distribuye la ETAP de la trinidad viene de la ETAP del Ter. Datos Tecnicos de la ETAP del Besos en anexo 5. - Situación: Prolongación c/Tamariu, s/n. 08033 Barcelona. - Altitud sobre nivel del mar: 70m. Definición técnica del problema 16 6.- Definición técnica del problema. La red de abastecimiento que cuelga de las Estaciones de Tratamiento de Agua Potable (en adelante ETAP) del Llobregat y del Ter, cuenta con: • Arterias generales de distribución que transportan el agua desde las ETAP hasta los centros generales de distribución, donde se almacena en los depósitos de regulación supramunicipales. Por otra parte, estas mismas arterias generales son el origen de muchas de las tuberías comarcales, así como también de algunas de las derivaciones municipales. • Las tuberías comarcales se originan tanto en los depósitos de regulación como en las arterias generales, y conectan diferentes municipios correspondientes a una zona geográfica muy concreta, definida por una o dos comarcas adyacentes. • Finalmente, las tubería de derivación municipales, que pueden originarse tanto en arterias generales como comarcales, conducen el agua hasta los depósitos de cabecera municipal, a partir del cual se inicia el abastecimiento domiciliario. Todos los casos donde se produzca una entrada de agua a un depósito es objeto de estudio. Para seleccionar los que pueden ser interesantes a la hora de obtención de energía o son totalmente inviables se siguen los siguientes criterios: - Capacidad del depósito. - El llenado del depósito debe ser por gravedad y no por bomba. - Presión de entrada al depósito superior a 20mca. - Nº de veces que se llena y vacía el depósito. Figura 12: Esquema direcciones de caudales y depósitos. Definición técnica del problema 17 La posibilidad de colocar microturbinas directamente en la redes de abastecimiento que van directas al consumo no se contempla, por la imposibilidad de prever los caudales. Cosa que no pasa en los depósitos. El abastecimiento a depósito se realiza de forma más periódica, controlable y estable (ver figura 13) que el de red y, como consecuencia, es fácilmente regulable y más fijo y predecible que el de red. Cuando se procede al llenado del depósito, el caudal, que tiene un cierto grado de libertad de oscilación en torno a un valor medio, se puede considerar casi constante, y con él el salto a controlar por la válvula reductora y, en su caso por la turbina. Por tanto, la potencia que puede ser generada es constante. Una vez se llena el depósito se cierra la válvula de llenado y no se vuelve a abrir hasta que el nivel no ha disminuido por debajo de un umbral predefinido. Debido a la regulación que supone el depósito, existe un grado de libertad en la elección del caudal nominal de la turbina siempre que éste sea superior al caudal medio de consumo del depósito para que no se vacíe el mismo. En los momentos en que el depósito está con la válvula de llenado cerrada la turbina se desconectaría de la red eléctrica. Por todo lo dicho en los párrafos anteriores, la velocidad de rotación de la turbina se puede considerar fija o constante sin que el acoplamiento a red se vea alterado. Ya que se considera que la red es infinita respecto a la instalación de estudio, porque la potencia generada será pequeña en comparación a la de la red. Figura 13: Ejemplo de subministro de agua a un depósito. En resumen, en el abastecimiento a depósito la función principal de la válvula reductora es mantener una presión lo más constante posible en la tubería de entrada al depósito independientemente de la presión que haya aguas arriba de la válvula. Mantener una presión constante en la entrada a un depósito implica mantener un caudal constante. Definición técnica del problema 18 El régimen de la válvula es, por consiguiente, pulsatorio, en función de los ciclos de llenado y vaciado del depósito. Estos ciclos de llenado y vaciado son controlados por unas válvulas automáticas de llenado de depósitos de las que se comentarán algunos aspectos posteriormente y que, como cabe esperar, ya están instaladas en la red actual. Sin embargo, en el caso de abastecimiento a red de suministro, el consumo urbano directo es variable e imprevisible, los ciudadanos requieren agua en buenas condiciones de caudal y de presión a cualquier hora del día y/o de la noche, con grandes variaciones en el consumo. Es decir, en estas circunstancias el caudal que circula por la válvula reductora no es constante, sino que viene siempre determinado por los consumidores y su demanda instantánea y variable. Por esta razón, en este caso se debe dotar al sistema de un grado de libertad adicional al sistema de generación de energía eléctrica, vinculado a la velocidad de rotación de la turbina, para que la adaptación a la gran variación de caudales susceptibles de generar energía sea factible, fiable y sobre todo aprovechable. Las válvulas reductoras que abastecen directamente la Red urbana tienen como función principal la de mantener una presión lo más constante posible independientemente del caudal de consumo que demande la misma y de la presión que haya aguas arriba de la válvula. Su régimen es continuo, es decir, en todo momento ha de estar en servicio regulando, puesto que el abastecimiento al consumidor así lo requiere. Los caudales que circulan por ella presentan valores muy variables a lo largo del día que dependen, fundamentalmente, del consumo en cada momento. Este funcionamiento es el que tiene que conseguir igualar la turbina. Como nota adicional, cabe destacar que la manipulación del salto existente es imposible. La red de aducción determina la presión a la entrada de la instalación. La presión de salida de la instalación en el caso de abastecimiento a red está fijada por la consigna de presión a mantener para los consumidores. Como conclusión general se deduce que la turbina tendrá que adaptarse continuamente al caudal solicitado, manteniendo la presión aguas abajo aún a pesar de las posibles oscilaciones de presión que pueda haber aguas arriba en la red de aducción, tal y como lo hace, hoy por hoy, la válvula reductora que desempeña esta función. Diseño de la instalación 19 7.- Diseño de la instalación. En este apartado se definen las características de funcionamiento y propiedades fundamentales que constituyen la instalación, una vez realizada la colocación de la válvula reductora en paralelo con la turbina, y para el caso de abastecimiento a depósito. Distinguiremos entre los elementos de la parte hidráulica y los de la parte eléctrica. 7.1.- Instalación hidráulica En la figura 14, se observan todos los elementos, destacar que después de la reductora se sitúa la válvula de llenado del depósito, encargada de dar paso al agua cuando el depósito está vacío, siendo esta válvula la que regula el caudal que circula por la instalación. Figura 14: Esquema conexión de turbina en paralelo con válvula reductora. - Turbina hidráulica (T). - Válvula reductora (R). - Válvula de mariposa (V). - Filtro (F). - Válvula de llenado (LL). - Electro válvulas. A continuación se entra en el detalle de cada uno de los elementos, enumerando sus características, tipos, y modo de selección. Diseño de la instalación 20 7.1.1.- Turbina hidráulica La turbina es la máquina rotativa que convierte la energía potencial y cinética del agua en energía de rotación para accionar otro elemento rotativo y obtener un trabajo aprovechable, en este caso acciona un alternador. La turbina hidráulica consta de: - Distribuidor o corona directriz, que transforma la altura de presión en altura cinética, actuando a modo de tobera y dirigiendo el flujo de agua hacia los álabes del rodete. - Rodete, donde se convierte la energía del fluido (altura de presión más altura cinética) en energía cinética de rotación a un eje, el cual se encarga de transmitir la energía de rotación al alternador. Según el modo de transferencia de la energía del agua al rodete de la turbina, se distingue entre turbina de acción o de reacción. - Turbinas de acción: La presión del agua se convierte primero en energía cinética. La transformación de energía potencial en cinética se produce al pasar a través de una aguja que provoca un estrechamiento del diámetro del conducto forzado. Las turbinas Pelton y Turgo son de acción. Figura 15: Turbina Pelton Figura 16: Turbina Turgo Diseño de la instalación 21 - Turbina de reacción: La presión del agua actúa como una fuerza sobre la superficie de lo álabes y decrece a medida que avanza hacia la salida. Por tanto parte de la energía es potencial y parte cinética. Las turbinas de reacción a su vez se pueden distinguir entre las de flujo radial o axial, en función de la trayectoria del agua por su interior. o Turbina axial: Hélice y Kaplan. o Turbina radial: Francis. Figura 17: Turbina Pelton Figura 18: Turbina Kaplan Figura 19: Turbina Francis Diseño de la instalación 22 Resumen de las características y funcionamiento de las turbinas A continuación, como resumen de los apartados anteriores se relacionan las características y funcionamiento de las turbinas hidráulicas, según la referencia: “Centrales hidroeléctricas” de J.M. Arroyo. UCLM a) Turbina hidráulica: • Convierte la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica de rotación. • Según la forma de actuar el agua en los álabes: turbinas de acción (Pelton) y de reacción (Francis y Kaplan). b) Turbinas de acción: • Efecto único de velocidad. • Coinciden los sentidos de proyección del chorro de agua y el del giro del rodete. • La presión del agua no varía en los álabes, es la atmosférica. • El rodete no está inundado. c) Turbinas de reacción: • Efecto conjunto de velocidad y de presión. • Los sentidos del chorro de agua y de giro del rodete no coinciden. • La presión del agua decrece desde la entrada a la salida del rodete. • Rodete no inundado. d) Elementos de la turbina Pelton: • Inyector: transforma la energía de presión en cinética. Consta de tobera o boquilla con orificio de sección circular y válvula de aguja con carrera variable para regulación del caudal. • Cámara de distribución: es la prolongación de la tubería forzada y conduce el agua hasta los inyectores. • Distribuidor, en general con 1 a 6 inyectores de agua. • Rodete: con rueda y álabes, junto a carcasa, eje, cámara de descarga y sistema hidráulico de frenado. e) Funcionamiento de la turbina Pelton: • Transformación de la energía cinética del chorro en energía de rotación. • Los inyectores dirigen el chorro de agua a los álabes o cucharas del rodet. • El chorro incide sobre la arista o nervio central de los álabes. Se forman dos chorros que salen despedidos lateralmente. Hay cambio de cantidad de movimiento del chorro fluido y aparece una fuerza que actúa sobre el álabe produciendo un par o un momento respecto del eje de giro del rodete (par motor). • Los chorros resultantes caen por gravedad al canal de fuga. • La regulación es por medio de la válvula de aguja por obturación del inyector. • Para caudales elevados se usan varias toberas inyectoras. f) Elementos de la turbina Francis: • Caja o carcasa espiral en forma de caracol. • Antedistribuido de álabes fijos. Diseño de la instalación 29 Tipo de accionamiento Motorizadas De acción hidráulica Acción directa Accionada por muelles y diafragma Accionada por circuito piloto Figura 25: Esquema de clasificación de válvula reductora 7.1.2.-Válvula reductora Es importante entender la función y el funcionamiento de una válvula reductora para poder sustituirla con éxito por una microturbina. Ésta es la razón por la que se pasa a describir con detalle todo lo referente a las válvulas reductoras de presión: Las válvulas reductoras de presión son un tipo particular de válvulas de regulación de presión. Al regular el salto, estos dispositivos permiten, imposibilitan o modulan el paso del fluido en la conducción en que se hallan instalados, según sea la función prioritaria de su instalación. Las válvulas reguladoras pretenden, por tanto, mantener la instalación en unas condiciones de presión, caudal y capacidad predeterminadas. Las válvulas reductoras pueden clasificarse en: a) Válvulas de reducción proporcional, que son aquellas en las que la presión a su salida es una proporción fija de la de su entrada. b) Válvulas reductoras de presión de salida constante, que son las que, independientemente de la presión a su entrada, del caudal circulante y de sus respectivas variaciones, fijan a su salida un valor absoluto de presión constante y lo estabilizan. Es importante señalar también, que, para ambos casos, la relación de presiones aguas arriba/aguas abajo debe estar controlada para evitar la cavitación del émbolo. Una característica poco alentadora de este tipo de válvulas es que son de acción relativamente lenta, lo que supone un problema en el diseño de la instalación que se estudia en este proyecto, ya que implica una respuesta lenta frente a la aparición de transitorios poco deseable para el correcto funcionamiento de la microcentral y para su óptimo aprovechamiento. Atendiendo al tipo de accionamiento, las válvulas reductoras se clasifican según el siguiente esquema. Diseño de la instalación 30 Las válvulas que se pretende de un uso más habitual son las válvulas reductoras de presión de salida constante, automáticas y accionadas por circuito piloto. Ya que son aptas para elevados caudales. Funcionamiento de las válvulas reductoras con salida constante, automáticas y accionadas por circuito piloto. Dichas válvulas constan fundamentalmente de una válvula base encargada de todas las funciones de regulación, a través de la cual pasa el flujo de agua, y de un mecanismo de control, hidráulico o eléctrico, según sea el tipo de accionamiento. En el caso que ocupa, el mecanismo es hidráulico y el accionamiento se hace por medio de válvulas piloto, que comunican los diferentes circuitos o zonas de fluido en el interior de la válvula. Estos circuitos son: circuito de “aguas arriba”, circuito de “aguas abajo” y “cámara de válvula” o “válvula principal”. El circuito piloto se encarga de controlar gradualmente la presión aguas abajo. El diseño clásico de la válvula principal consiste en un eje que lleva un disco de asiento entre dos pistones, uno más grande que el otro y que se mueven libremente a lo largo del eje. Figura 26: Visión interna de la válvula reductora de presión. Si la válvula base o principal permite el paso de más agua que el piloto, una presión elevada quedará “aprisionada” encima del pistón, iniciándose el cierre de la válvula. Ésta se abrirá sólo cuando el piloto permita mayor paso de agua que la válvula base, produciéndose una disminución de presión encima del pistón lo que ocasionará la apertura de la válvula. Diseño de la instalación 31 Figura 27: Elementos de la válvula reductora de presión y esquema de funcionamiento. En concreto, las fases que atraviesa la reductora para completar un ciclo en su funcionamiento son: El circuito piloto conecta la cámara superior de la válvula (operating chamber) con la presión de entrada (inlet) mediante una válvula de estrangulamiento y con la presión de salida (outlet) mediante una llave de paso, tal y como muestra la figura de la izquierda. CIERRE: El agua a alta presión se introduce a través de la válvula de estrangulamiento en la cámara superior y al cerrar la llave de paso, la presión sube y el eje del pistón baja, cerrando la válvula. APERTURA: Si al abrir la llave de paso, sale más agua de la cámara superior, atravesando dicha llave, que la que entra por la válvula de estrangulamiento, la presión sobre el pistón superior se reduce, lo que obliga a éste a elevarse, abriendo la válvula principal. Diseño de la instalación 32 Figura 28: Válvula reductora en el momento de reducción de presión. REDUCCIÓN DE PRESIÓN: Si se desea colocar el eje en una posición intermedia entre totalmente abierta y totalmente cerrada, simplemente se debe equilibrar el caudal que entra con el que sale de la cámara superior. Esto genera una presión que pone en equilibrio las fuerzas actuantes sobre el pistón y se consigue la reducción de presión que se perseguía. La siguiente ilustración (Figura 29) ilustra el proceso, de izquierda a derecha, desde el momento en que la válvula está cerrada hasta su máxima apertura. Figura 29: Ilustración de izquierda a derecha del proceso de apertura de la valvula. Perdidas en abierto La válvula reductora completamente abierta supone unas pérdidas tabuladas en el gráfico de la figura 30. Estas pérdidas son superiores si circula mayor caudal por la instalación pero también crecen según decrece el diámetro de la propia válvula, lo que quiere decir, como cabía esperar, que si, por ejemplo, la tubería tiene un diámetro de 300mm y la válvula posee un diámetro inferior, las pérdidas crecerán no sólo por la propia válvula sino también por el cambio, en este caso reducción, de la sección en la tubería. Diseño de la instalación 33 Dado que la función primitiva de las válvulas era reducir grandes saltos de presión, el hecho es que todas ellas fueron dimensionadas a la baja para acentuar el efecto que perseguían y por tanto, las válvulas instaladas en las redes de abastecimiento generalmente poseen un diámetro algo inferior al de la tubería que regulan. Figura 30: Perdidas de la válvula reductora en función del caudal para una válvula Ross. Por último es preciso resaltar que la colocación de válvulas reductoras en las redes de distribución de agua no se lleva a cabo con la implantación de una única válvula, sino con la conexión de un grupo reductor formado por varias válvulas conectadas entre sí, siguiendo diferentes configuraciones con el objetivo de dotar al sistema de la seguridad de que precisa. Las diferentes disposiciones permiten, de esta forma, por ejemplo, realizar el mantenimiento de cada válvula por separado sin que la instalación se vea privada de la reducción necesaria, que en este caso será realizada por las demás válvulas. Diseño de la instalación 34 Durante el estudio que se realizará a lo largo de este proyecto se adoptarán las hipótesis de que no hay válvula reductora, o en el caso de haber, será de una única válvula, puesto que el hecho de que exista un grupo reductor no es determinante en el resultado a efectos de cálculo en el diseño de la instalación. Algunas configuraciones típicas son: Figura 31: Instalación de válvulas reductoras en paralelo Figura 32: Instalación de válvulas reductoras en conexión mixta serie/paralelo Diseño de la instalación 35 7.1.3.- Válvula de mariposa Las válvulas de mariposa son elementos hidromecánicos destinados al seccionamiento de conducciones de fluidos a presión mediante un obturador en forma de disco a lenteja que gira diametralmente gracias a un eje o a muñones solidarios con el obturador. Constan fundamentalmente, por tanto, de un cuerpo, un obturador y un mecanismo de maniobra. Los requisitos de funcionamiento que deben cumplir estas válvulas figuran en la norma UNE-EN 1074-2:2000. Habitualmente su funcionamiento será de apertura o cierre total, de tal forma que las posiciones intermedias corresponden a situaciones provisionales y excepcionales, en cuyo caso el diseño de la tubería debe prever posibles cavitaciones y evitarlas en la medida de lo posible. Este tipo de válvulas siempre produce una pérdida de carga localizada, aún en su posición de máxima apertura. Esta pérdida, como las del resto de los elementos de la instalación, deberá ser tenida en cuenta a la hora de dimensionar la turbina. Figura 33: Válvula de mariposa Diseño de la instalación 36 7.1.4.- Filtro La función del filtro es reducir las partículas, tales como arena o piedras que pueda llevar el agua. Para los caudales y medidas de tuberías que se contemplan los filtros a utilizar son los de tipo H, con paso recto de gran capacidad recomendados para grandes conducciones, interesante sobre todo a partir de 250mm. Este tipo de filtro tiene una caía de presión menor que los de tipo Y. En el anexo 6 se muestran las características técnicas y medidas disponibles de los filtros tipo H. Figura 34: A la izquierda de color azul, filtro tipo H, seguido a la derecha de color rojo la válvula reductora de presión pilotada. Figura 35 : Filtro tipo Y. Diseño de la instalación 37 7.1.5.- Válvula de llenado Clasificación y funcionamiento Para controlar el llenado de los depósitos se utilizan, fundamentalmente, dos tipos de válvulas: De acción directa o de flotador, que son válvulas que regulan el llenado de los depósitos estrangulando el paso del agua según el nivel del depósito se va acercando al máximo. El mecanismo de estrangulamiento suele estar accionado por un brazo en cuyo extremo se coloca un flotador. El cierre de la válvula es progresivo según sube el nivel del agua en el depósito, quedándose la posición de la misma estabilizada cuando se aporta el caudal de consumo necesario en cada instante. Cuando los consumos son elevados con respecto al aporte de la tubería de aducción la válvula abre completamente y de esta forma el depósito permanece lleno siempre y el caudal por la aducción no es nulo excepto cuando no existe consumo aguas debajo de la tubería. Figura 36: Válvula de llenado de acción directa (tipo flotador). De cierre diferido o de altura, que son válvulas de pistón, cuyo cierre y apertura se controla con los niveles del depósito máximo y mínimo, respectivamente. Las maniobras se inician cuando la válvula detecta la condición de cierre, y el pistón realiza la carrera completa, es decir, abre del todo, sin quedarse en posiciones intermedias. Éste tipo de válvulas requiere una presión mínima de servicio de 0,5 bar para su funcionamiento. Diseño de la instalación 38 Figura 37: Válvula de llenado de cierre diferido. La ventaja que presenta el tener una válvula de cierre diferido reside en que cuando circulan caudales intermedios se tiene disponible la máxima sección de paso, mientras que la válvula de acción directa estrangularía el flujo, con la consiguiente pérdida de carga adicional que ello supone y, por tanto, se desaprovecharía una mayor cantidad de energía. Por lo tanto, se debe resaltar como conclusión que, en el caso de instalar un sistema de aprovechamiento energético del salto hidráulico que se produce en una válvula reductora que alimenta a un depósito, la válvula de llenado de dicho depósito debe ser del tipo de cierre diferido, para lograr un óptimo aprovechamiento energético. Esta conclusión servirá para la realización de futuras instalaciones, puesto que en las actuales que no posean válvula de llenado de depósito de altura, y por no incurrir en gastos adicionales de sustitución de válvulas, la pérdida de energía debida a la válvula de llenado, de tipo flotador, es ya irrecuperable y deberá tenerse en cuenta para llevar a cabo el correcto diseño de la instalación. Diseño de la instalación 45 7.2.4.- Centro de transformación Un centro de transformación consta principalmente de los siguientes componentes: transformador, elevador en este caso, celdas y cuadros eléctricos y líneas de interconexión Figura 45: Centro de transformación Transformadores: Son máquinas destinadas a convertir una tensión de entrada en otra distinta a la salida. El objeto del transformador es elevar la tensión de generación eléctrica para poder conectar la instalación generadora en baja tensión a la distribuidora en media tensión. Celdas y cuadros eléctricos: Suelen instalarse generalmente en el interior de la microcentral y están constituidos por diversos componentes eléctricos de regulación, control, protección y medida. Línea eléctrica de interconexión: La línea eléctrica transporta la energía eléctrica desde la microcentral hasta el punto de conexión con la compañía eléctrica. Nota: La compra de todos estos componentes corre a cargo de la empresa generadora aunque sea la empresa distribuidora la que, en última instancia, controle y haga uso de estas instalaciones eléctricas. Diseño de la instalación 46 7.3.- Sistema de control de la instalación A continuación se detalla el sistema a utilizar para el control de la instalación en el caso de abastecimiento a depósito. Para ello se han de tener en cuenta tanto consideraciones para la regulación hidráulica, tales como el caudal que atraviesa la turbina, y los diferentes escenarios a los que se puede ver sometida la instalación hidráulica, como la regulación de la parte eléctrica, donde se deberá tener en cuenta la velocidad de giro del generador para que este tenga una producción de energía con un rendimiento óptimo. 7.3.1.- Regulación y control de la instalación hidráulica Aunque se hayan realizado los cálculos para unos saltos y caudales determinados, estos pueden variar ya que la red hidráulica de Cataluña tiene una configuración mallada, por tanto la instalación tiene que estar preparada para ello. Figura 46: Esquema de la instalación hidráulica. Válvula de mariposa: Necesarias para cerrar el paso del agua, por ejemplo cuando se necesite realizar el mantenimiento de la turbina. Filtro: Necesario en todas las instalaciones para evitar impurezas en el agua que puedan dañar la turbina. Válvula motorizada 3 vías: Realiza el control de la instalación, haciendo que pase más o menos caudal por la turbina. Válvula reductora de presión: Limita la entrada de presión al depósito cuando el agua no pasa por la turbina. Turbina: Transmite la energía del agua al generador. Válvula de llenado: Cierra el caudal del agua cuando el depósito está lleno y lo abre cuando se vacía. Figura 47: Leyenda del esquema de la instalación hidráulica. Diseño de la instalación 47 En la figura 46 y 47 se muestra el esquema de la instalación y se comenta brevemente la función de los elementos sobre los que es necesario actuar para el control de la misma. Se han de tener en cuenta las siguientes variables de entrada para poder llevar a cabo la regulación de la instalación: • H1 (m.c.a): Presión de entrada de la turbina. • H2 (m.c.a): Presión de salida de la turbina. • Q (m3/s): Caudal que atraviesa la instalación. Las medidas de presión se toman mediante transductores que habrá que instalar en la instalación, y el caudal mediante un caudalímetro, también a instalar. El objetivo principal de la regulación es conseguir que la turbina opere el máximo de tiempo posible dentro de los límites de trabajo calculados. Puesto que existen unas variables de entrada será la turbina la que se adaptará para optimizar su producción de energía al máximo. Todo el control de la instalación, tanto la hidráulica como la eléctrica se realizará mediante un PLC, el cual leerá las variables de entrada y actuará en función de ellas. En el caso del depósito de Vallvidrera tenemos una presión de entrada aproximada de 134mca, y puesto que la compañía de aguas no ha querido facilitar ningún dato del régimen de llenado y vaciado se toma como criterio que el depósito se llena y vacía diariamente tal como muestra la siguiente figura. Abastecimiento a depósito 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 horas Q(m3/s) Figura 48: Variación diaria del caudal para llenado de depósito. En la figura 48 se observa que el caudal diario que abastece al depósito pasa por 4 fases a lo largo del día: Diseño de la instalación 48 Fase en reposo con válvula de llenado cerrada. En este estado el depósito está lleno, pero vaciándose. El tiempo de vaciado puede variar en función del consumo de los usuarios. Mientras la instalación se encuentre en este estado no se produce energía ya que no circula agua a través de la turbina. Cuando el nivel del depósito llegue a un nivel mínimo predefinido la válvula de llenado se abrirá y dará paso al caudal. El estado de los elementos que intervienen en la regulación de la instalación se encuentran de la siguiente forma: - Válvula de llenado completamente cerrada. - Depósito lleno y/o vaciándose. - Caudal que circula por la instalación nulo. - Válvula reductora de presión completamente abierta. - Turbina parada. No se genera energía. Fase de proceso de apertura y estabilización. Se produce después de haber estado la instalación en estado de reposo sin que circule agua y cuando la válvula de llenado empieza a abrirse al estar el depósito en un nivel mínimo. Este proceso dura hasta que la válvula de llenado se abre por completo y el caudal de entrada al depósito se estabiliza. La instalación sufre los siguientes cambios en el orden que se indica a continuación - Se detecta que el nivel del depósito ha llegado a su mínimo predefinido para empezar a llenarse. - Se empieza a abrir la válvula de llenado y el depósito empieza a llenarse. - Empieza a circular agua por la instalación por los dos ramales con un caudal inversamente proporcional a la caída de presión que hay en cada ramal. Concretamente, puesto que la válvula reductora se encuentra completamente abierta y la turbina ejerce mayor dificultad al paso del caudal pasará más agua por el ramal de la reductora. - La instalación empieza a regularse cerrando la válvula reductora para regular el salto y haciendo mediante la válvula de 3 vías que circule más caudal por el ramal de la turbina. - Cada vez circulará más caudal por el ramal de la turbina y esta empieza a moverse. En el momento en que la turbina gire lo suficiente para generar energía, esta se conectará a la red. - Finalmente mediante al regulación de la válvula de 3 vías y la válvula reductora, todo el caudal que circula por la instalación lo debería de hacer a través de la turbina. Diseño de la instalación 49 Las ordenes que el autómata debe enviar a la instalación serías las siguientes y por el orden indicado. 1) Abrir la válvula de llenado al detectar el nivel mínimo en el depósito. 2) Regular la presión en la reductora gracias a las electrovalvulas y la válvula de tres vías. 3) Conexión de la turbina a la red una vez haya alcanzado el caudal mínimo para generar energía. 4) Cerrar por completo la válvula reductora para que todo el caudal circule por la turbina. Fase en estado constante con válvula de llenado abierta. En esta fase del proceso la instalación se encuentra en estado constante de llenado del depósito con el siguiente estado de los elementos de regulación: - Válvula de llenado completamente abierta. - Válvula reductora cerrada por completo. - Todo el caudal de la instalación circulando por la turbina. - Turbina conectada a la red eléctrica y generando energía. En esta fase la turbina está generando energía según la expresión: Durante esta fase hay que tener en cuenta cualquier tipo de imprevisto. En la figura siguiente se definen algunas situaciones problemáticas y sus soluciones. Figura 49: Control de la instalación dentro y fuera de los rangos de diseño. Depósito llenándose N min < N < N max 0 < Q < Q min - Reductora ON - Turbina OFF Qmin < Q < Qmax - Reductora OFF - Turbina ON Q > Qmax - Reductora ON - Turbina ON Diseño de la instalación 50 Fase transitoria de cerrado de la válvula de llenado. En esta fase la instalación pasa del estado constante en el que se está generando energía al estado de reposo con el depósito lleno, la válvula de llenado cerrada y por tanto sin circulación del caudal por la instalación y sin generación de energía. La instalación sufre los siguientes cambios en el orden que se indica a continuación - Se detecta que el nivel del depósito ha llegado a su máximo predefinido y se debe parar el llenado. - La válvula de llenado se empieza a cerrar y el caudal por la instalación empieza a disminuir hasta llegar a cero. Las ordenes que el autómata debe enviar a la instalación serías las siguientes y por el orden indicado. 1) Abrir la reductora lentamente 2) Cuando el caudal sea el mínimo requerido por la turbina para generar, desconectarla de la red. 3) Cerrar la válvula de aislamiento de la turbina y colocar la válvula de 3 vías con salida hacia la reductora. 4) La reductora continuará fijando su presión a la salida. 5) Se para completamente la turbina. Después de esto vuelve a darse el caso inicial de reposo con válvula de llenado cerrada. Es importante destacar que todos los sensores a utilizar en este tipo de instalaciones deben dar una salida de señal para la lectura del autómata del tipo (4-20mA), para asegurarnos de su correcto funcionamiento. Si la señal leída fuera de 0mA se trataría de un error. De esta forma es posible localizar el mal funcionamiento o avería de los sensores. Conclusiones de regulación y control En régimen permanente la presión aguas abajo de la válvula reductora se mantiene en los valores de diseño previos a la instalación de la turbina. La válvula detecta que la presión en su entrada ha aumentado por el efecto de la turbina y con el control descrito anteriormente comienza a cerrarse. Por el contrario, la reductora regula por completo el salto si existe alguna incidencia en la turbina o a falta de caudal para que comience la generación de energía. La reductora quedará en su posición de apertura máxima cuando por la instalación no circule caudal alguno. En esta posición la válvula presenta unas pérdidas de carga que no se pueden evitar y que dependen del caudal que esté circulando por ella y de la presión del conjunto. Diseño de la instalación 51 El paralelo de la instalación permite a su vez, por una parte, derivar todo el caudal por la reductora cuando la turbina esté fuera de servicio (por ejemplo por incapacidad para evacuar la energía eléctrica producida) y, por otra parte, regular la presión manométrica a la que está sometida la turbina y, por tanto, el caudal que circula por ella. La turbina debe tener válvulas de aislamiento aguas arriba y aguas abajo para permitir el mantenimiento o sustitución de la misma. Se deben disponer de transductores de presión en la entrada y en la salida de la turbina para permitir el control de la misma. También se debe disponer un caudalímetro en serie con el conjunto. El control de la instalación se realizará con un autómata programable (a desarrollar en proyectos futuros. Aunque un posible control de procesos podría ser el proyecto final de carrera “Control y supervisión de un proceso de laboratorio mediante SCADA, PLC y Matlab” desarrollado por Víctor Sanz Noguera, donde uno de los procesos a controlar son el nivel de un depósito y el caudal). Diseño de la instalación 52 7.3.2.- Regulación automática de la velocidad del generador. Aunque por norma general la regulación de generadores acoplados a red es algo indispensable, en el caso de microgeneración no es tan importante, ya que por aportar poca potencia a la red eléctrica en comparación con la que mueve dicha red, el generador se adaptará sin esfuerzo a la frecuencia de la red. Por tanto la frecuencia de giro del generador será constante y la turbina tendrá que adaptarse a ella de la mejor forma posible. En el caso de microcentrales una turbina con regulación de velocidad obtendrá un mayor rendimiento, ya que como se ha dicho, la velocidad ya está impuesta por la red. En el caso de abastecimiento a depósito la única preocupación es la obtención del máximo rendimiento, ya que en este caso no se influye en el suministro directo de la red de agua potable, asegurando en cualquier caso una calidad del suministro igual a la anterior de realizar la instalación. Para la turbina Pelton elegida en el caso de estudio concreto de este proyecto, la forma de regular la velocidad es mediante la aguja del inyector, que hace que incida más o menos caudal sobre los alabes haciendo que el rodete gire a más o menos revoluciones. Las turbina Pelton también pueden ser de doble regulación. En dicho caso, la acción del regulador se realiza sobre la válvula de aguja del inyector, y también en el deflector. En caso de disminuir la carga proporcionada por el grupo, bruscamente o por un disparo, el deflector interviene rápidamente en primer lugar, desviando parte del chorro hacia el exterior del rodete, posteriormente, y de forma lenta, se realiza el acercamiento de la aguja hacia la tobera, con lo que se evitan efectos perjudiciales ocasionados por la posible presencia del golpe de ariete, especialmente si la tubería forzada es de gran longitud, caso más probable, por tratarse de la alimentación de turbinas Pelton. Al aumentar la potencia solicitada al grupo, el deflector se aleja del chorro agua y, al mismo tiempo, la aguja se separa del orificio de la tobera, permitiendo el paso de mayor caudal de agua hacia los cangilones. El deflector queda, nuevamente, lo más cercano al chorro, dispuesto para intervenir. Todo el conjunto, regulador y equipo de regulación, se encuentra instalado generalmente sobre la cámara de distribución. Diseño de la instalación 53 Figura 50: Turbina Pelton con una aguja para la regulación . Regulador de Frecuencia Además de la regulación de caudal en la turbina, para la regulación de la instalación también es posible utilizar un regulador de frecuencia acoplado al generador asincorono. De esta manera es posible hacer trabajar la turbina para velocidades no constantes, produciendo más energía. El regulador de frecuencia tiene la ventaja de poder hacer que la instalación trabaje en un rango más amplio de caudales, pero también tienen la desventaja del incremento del coste y reducción del rendimiento global de la instalación. Cuando se prevea que en el lugar donde se vaya a implantar la turbina esté sujeto a continuos cambios del caudal o presión, la instalación del regulador será prácticamente obligada. En el caso de este proyecto no existe previsión de ello, por tanto no se contempla la instalación del regulador de frecuencia. Tipología general de selección para instalación viable técnicamente 54 8.- Tipología general de selección para instalación viable técnicamente. No todas las tuberías de agua potable ni depósitos de la red son viables técnicamente para generación de energía. Son necesarios unos saltos y caudales mínimos para que la turbina se empiece a mover. A partir de los resultados obtenidos en este proyecto se destacan 3 puntos a tener en cuenta para la viabilidad de la instalación. - Salto neto (Hn) - Caudal (Q) - Tiempo estimado de funcionamiento. El salto y el caudal lo tomaremos como parámetros totalmente excluyentes, en cambio las horas que se prevé que estará en funcionamiento la turbina no será excluyente para la viabilidad técnica, pero sí que influirá directamente en la producción de energía y por tanto en la amortización de la instalación. En el siguiente cuadro se resume la viabilidad de la instalación en función de la altura bruta y del caudal. Donde se toma lo siguiente: - No viable = 0 - Muy Viable = 5 H B (m) Q(m 3 /s) Bajo 0 – 25 Medio 25-50 Alto 50-100 Muy Alto Más de 100m. Bajo (0 – 0,1) 0 0 1 2 Medio (0,1 – 0,3) 1 2 3 4 Alto. Más de 0,3 2 2 4 5 Para que una instalación de agua potable sea objeto de estudio para la implantación de microturbinas, sea tanto en redes de abastecimiento urbano, como de abastecimiento a depósito deberá estar como mínimo dentro de los rangos que marca el nivel 3 de viabilidad. El nivel de viabilidad para el ejemplo concreto del depósito de Vidreres que se ha estudiado en este proyecto es nivel 4. Anexos 61 12.- Anexos. Anexos 62 ANEXO 1 Anexos 63 Fogars ETAP del Llobregat Situación: Abrera Z=110m. E.D. Fontsanta Situación: Sant Joan D’espi Z=70m. 2 Depósitos de 116.000m3 E.D. Trinitat Situación: La Trinitat (Barcelona) Z=100m. 5 depósitos de 79.000m3 ETAP del TER Situación: Cardedu, Llinars del Valles, La Roca. Z=200m. Depósito Fogars Situación: Fogars de la Selva. Z=250m. Depósito 10.000m3. Desalinizadora Llobregat. Situación: Desembocadura del Llobregat. Desalinizadora Tordera Situacion: Desembocaruda del Tordera. ANEXO 2 Anexos 64 ETAP Llobregat ETAP Ter ED Fontsanta Z=70m 116.000m 3 X2 Desalinizadora Llobregat Desalinizadora Tordera ED Trinitat Z=100m 79.000m 3 X5 Depósito Fogars Z=250m. 10.000m 3 Z=110m Z=200m Depósito Vidreres Z=116m. Depósito Sils Z=105m. Depósito Sta. Coloma Z=178m. 6.000m 3 1.500m 3 3.200m 3 Río Ter Hostalric Río Llobregat gravedad gravedad gravedad gravedad gravedad bombeo bombeo bombeo reversible bombeo reversible gravedad DN 400 DN 1400 Anexos 65 Anexos 66 ANEXO 3 Características técnicas Capacidad de tratamiento 4 m 3 /s Captación Longitud azud 100 m Ancho de paso rejas desbaste 30 mm Longitud desarenadores 30 mm Decantación Número de decantadores 8 unidades Tipo Accelerator Diámetro 28 m Caudal nominal 0,5 m 3 Filtración Filtros de arena Número de filtros 12 unidades Superficie unitaria 137 m 2 Espesor capa de arena 70 cm Caudal nominal 3 m 3 /s Filtros de carbón Número de filtros 15 unidades Superficie unitaria 100 m 2 Espesor capa de carbón 1,5 m Volumen del lecho de carbón 150 m 3 Volumen total de carbón 2.250 m 3 Caudal nominal 3 m 3 /s Tiempo de contacto superior a 7 minutos Electrodialisis reversible EDR Caudal de tratamiento de la EDR 2,4 m 3 /s Rendimiento de recupación de caudales 85-90% Rendimiento de eliminación de sales (conductividad) 60-80% Volumen medio de sales eliminadas por el proceso EDR 154 Tn/dia Almacenaje de agua tratada Número de depósitos 4 Capacidad total 263.000 m 3 Anexos 67 ANEXO 4 Características técnicas Capacidad de tratamiento Capacidad de tratamiento de la ETAP 8 m 3 /s Longitud galería (entre el Pasteral y la ETAP) 56 km Diámetro 3 m (sección equivalente) Longitud conducción (entre la ETAP y la estación distribuidora de la Trinitat) 22,4 km Diámetro 3 m Decantación Número de decantadores 8 unidades Tipos Pulsator Dimensiones de cada decantador 36,75 x 36,50 m Superficie total 10.731 m 2 Altura agua 5 metros Volumen total del agua 53.655 m 3 Tiempo medio de retención 111 minutos Velocidad ascensional 2,68 m 3 /m 2 /hora Filtración Número de filtros 48 unidades Dimensiones de cada filtro 14,95 x 7,6 m Espesor capa de carbón activo 0,80 m Superficie filtrante unitaria 4.449 m 2 Velocidad de filtración 7,5 m 3 /m 2 /hora Capacidad máxima de filtración 9,27 m 3 Almacenaje Número de depósitos 4 Capacidad total 617.000 m 3 Anexos 68 ANEXO 5 Características técnicas Estación Distribuidora Trinidad. http://www.atll.cat/es/page.asp?id=85 Caudal de distribución 6,5 m 3 /s Capacidad máxima de distribución 11 m 3 /s Depósitos Cota 70/1 21.000 m 3 Cota 70/2 15.000 m 3 Cota 100/1 17.000 m 3 Cota 100/2 20.000 m 3 Cota 200 6.500 m 3 Central superior Salto limpio 42 m Turbinas 2 de 492 CV Alternadores 2 de 718 kVA Central inferior Salto limpio 72 m Turbinas 2 de 825 CV Alternadores 2 de 718 kVA Impulsión Impulsión 3 grupos motobomba de 350 CV Transformación Transformación 25 / 6kV 3.500 kW Anexos 69 ANEXO 6 Direcciones y teléfonos centros ATLL • Oficinas Centrales Fontsanta Sant Martí de l'Erm, 30 08970 Sant Joan Despí Teléfono: 93 602 96 00 Fax: 93 373 23 22 [email protected] • ETAP Llobregat. Estación de tratamiento de aguas potables del Llobregat Ctra. Martorell a Olesa, km. 4.6 08630 Abrera Teléfono: 93 770 26 61 Fax: 93 770 29 51 [email protected] • ETAP Ter. Estación de tratamiento de aguas potables del Ter Afores s/n 08440 Cardedeu Teléfono: 93 846 18 26 Fax: 93 846 17 76 [email protected] • Estación Distribuidora Trinitat Prolongació c/Tamariu, s/n. 08033 Barcelona Teléfono: 93 359 80 66 Fax: 93 359 80 66 [email protected] • Desalinizadora de la cuenca del Llobregat Av. de l'Estany de Port, 4 08820 El Prat de Llobregat Teléfono: 93 370 74 26 Fax: 93 478 85 08 [email protected] Anexos 70 ANEXO 7