AQUANIVEL, Sistema de Control por Nivel de Agua Embalsada

Resumen del trabajo

En el presente trabajo se exponen dos aplicaciones del "AQUANIVEL[1](sistema de control por nivel de agua embalsada), implementado en distintos microaprovechamientos hidroeléctricos, en la provincia de Misiones, Argentina.

PALABRAS CLAVES

Microturbina. Nivel de agua embalsada. Microgeneración eléctrica aislada. Microgeneración eléctrica en paralelo. Operación de centrales. Automatismo.

Introducción

En los pequeños aprovechamiento hidroenergéticos, la generación eléctrica se produce generalmente en forma autónoma, controlando automáticamente, el caudal, la frecuencia y la tensión generada.

Otra variable no menos importante, y no siempre atendida en forma automática, es el nivel de agua embalsada.

Si el nivel de agua en la presa desciende por debajo de niveles admisibles, puede ocurrir que el agua turbinada no alcance a llenar toda la sección de la tubería forzada, pudiendo producir: corrosión, sedimentación, obstrucciones e inestabilidad en la generación.

La variación del nivel de agua en el embalse, constituye un caso frecuente en Misiones, donde en épocas de estiaje, el caudal del curso de agua y su cuenca, desciende a un 10% del caudal nominal, con el agravante de que estas fluctuaciones no son cíclicas, como es el caso de los arroyos de montañas, donde se tienen períodos de hielo-deshielo bien definidos .

Tipos de generación

La energía hidráulica disponible en forma mecánica en el eje de la turbina, es posible transformar en energía eléctrica, por medio de generadores del tipo: Sincrónicos y Asincrónicos.

Generación Sincrónica:

La generación sincrónica, ampliamente estudiada y difundida, requiere de equipamiento especial y sofisticado para su funcionamiento y control, mas aun, en centrales que trabajen en paralelo y sin personal permanente, como es el caso de la microgeneración en la Provincia de Misiones.

Generación Asincrónica:

Los generadores asincrónicos comúnmente utilizados en los microaprovechamientos hidroelectricos, son generalmente motores eléctricos de inducción con rotor "jaula de ardilla", del tipo comercial estándar.

La generación se produce accionando "el motor" a velocidad de hipersincronismo (velocidad superior a la de sincronismo) y excitando el estator con una determinada tensión.

Este tipo de generación, presenta algunas ventajas que su símil sincrónico, cuando opera en paralelo con una red de gran potencia.

Funcionamiento aislado o interconectado

Básicamente los sistema de microgeneración hidráulicas se pueden clasificar en: aislados o independientes, interconectados o en paralelo, y mixtos.

Centrales Interconectadas o En Paralelo:

Se denominan centrales interconectadas, a los sistema de microgeneración que funcionan en paralelo con otro sistema energético de mayor potencia.

El comportamiento de un motor como generador en estos casos, es muy bueno, ya que la tensión y la frecuencia son impuestas por la red, lo que hace innecesario el uso de regulador de tensión y frecuencia.

Centrales Aisladas o Independientes

Las centrales de funcionamiento aislado, son aquellas que poseen todos los elementos necesarios para funcional sin estar conectado a una red de mayor potencia.

Centrales Mixtas

Son aquellas que pueden funcionar, tanto en paralelo como en forma independiente.

Centrales Autónomas

Se denominan centrales autónomas, las que pueden generar energía eléctrica en forma automática, esto es, sin la atención permanente de un operario. Pueden ser, a su vez: aisladas, interconectadas o mixtas.

El Aquanivel en sistemas aislados

En microcentrales de funcionamiento aislado, el Aquanivel "avisa" a los usuarios, que el nivel de agua represada se encuentra por debajo de una cota prefijada, iduciendolos a retirar cargas, con el fin de economizar agua. Esta primera etapa se denomina estado de alarma.

Si el nivel de agua, desciende por debajo de un segundo punto, denominado de cierre, se produce la interrupción de la generación eléctrica por una espacio de tiempo regulable, posibilitando almacenar fluido, para producir electricidad por un período mas.

El sistema Aquanivel, esta conformado por dos subsistemas: Uno para la situación de alarma y otro para la de cierre, que se unen en la unidad de potencia, que comanda el alabe de la turbina, ver fig. 01.

En los diagramas en bloques de las figuras 02 y 04, se muestran dos formas de implementar el sistema del Aquanivel para sistemas aislados.

En el croquis de la figura 02, representa una serie de temporizadores, formados por monoestables en cascada, permitiendo un ajuste independiente de los tiempos de apertura, espera y cierre.

El sensor de nivel de agua en el embalse, suministra información al sistema del nivel de cierre. Una red diferenciadora provee un pulso que dispara el primer temporizador (monoestable de cierre), el cual envía al cierre el alabe regulador de caudal de la turbina, accionado por un servo motor. Una vez culminado el periodo de temporización del primer monoestable, por medio otra red diferenciadora, se dispara el segundo multivibrador, que proporciona el tiempo de espera, una vez concluido este, es activado el último de los temporizadores, el de apertura, finalizando el ciclo de operación, ver diagrama temporal de la figura 03.

Como el periodo de espera es mucho mayor que el de cierre, es posible disparar el temporizador de espera y cierre, en el mismo instante, ver figura 04 y 05.

Participación del "Sensillus"

El "Sensillus[2]es un sistema muy simple (de ahí su nombre), que evita la acción de regulador de frecuencia, cuando el Aquanivel, se pone en acción.

Supóngase, que el Aquanivel envía la orden de cerrar el alabe regulador de la turbina (por que el agua en la presa, se encuentra por debajo de los limites admisibles para la generación) esta acción, es interpretada por el regulador electrónico de frecuencia, como una disminución de la frecuencia generada, por lo que genera la orden de apertura del alabe, para contrarrestar la disminución de la frecuencia. Esta acción se opone a la enviada por el Aquanivel, incurriendo en una incompatibilidad, que es salvada con la inclusión del mecanismo del Sensillus.

El Aquanivel en sistemas mixtos

Supóngase un sistema de microgeneración que pueda alimentar un núcleo de pobladores, que llamaremos "circuito uno" y que a su vez se encuentre conectado en paralelo con una línea de distribución comercial, ver figura 06.

Si se interrumpe el suministro de energía en la red de gran potencia, la microcentral puede alimentar el consumo del "circuito uno", mientras dure el corte de energía, librando el interruptor C1 y efectuando una maniobra de Puesta en Funcionamiento de generación independiente, precedida de la maniobra de Cierre por Falta de Energía Comercial, ver figuras 07.

Cuando retorna la energía en la red principal, se efectúa la maniobra de Desactivación de la Generación Independiente, para iniciar la maniobra de Puesta en Paralelo.

Por otro lado, puede ocurrir que la microcental deba salir de servicio, por que el caudal tubinado no es suficiente y el generador se comporta como motor, consumiendo energía de la red. En este caso, cuando el nivel de agua se encuentre por debajo de un nivel admisible, el Aquanivel, efectúa la maniobra de Cierre por Falta de Agua, y libera el contacto C2, mientras que el "circuito uno" es alimentado por la red comercial, ver figura 08.

En el diagrama de flujo de la figura 09, se ilustra las distintas acciones de la generación en un sistema de generación mixta.

El Aquanivel en Sistemas Interconectados

En sistemas interconectados, una vez concluida la operación de puesta en paralelo, el grupo turbo-generador entrega a la red, una cantidad de energía proporcional al caudal turbinado.

Ya que el caudal no es constante todo el año, se tendrá distintos puntos de funcionamiento para distintas épocas del año.

Como no siempre se posee los suficientes datos de aforamiento de las cuencas que integran el aprovechamiento, es menester buscar otro método de ubicación del punto de trabajo, que aquel que resulta de contrastar planillas de caudales con épocas del año y determinar el punto de trabajo.

Un método práctico de operación en paralelo[3](Kurtz 1997) , es que la máquina funcione siempre a la potencia nominal, no importando la época del año.

En época de estiaje la máquina turbinará el caudal módulo hasta que se agote el fluido de reserva en el embalse. Con la ayuda de un Aquanivel, es posible ubicar automáticamente, distintos puntos de trabajo de la generación en paralelo.

Por otro lado, una vez concluida la reserva de agua, el Aquanivel produce la salida del generador del paralelo, evitando que éste funcione como motor consumiendo energía de la red. Al tiempo que los usuarios pasan a consumir energía de la red principal, mientras se almacena más agua en la presa para una nueva generación.

Corrimiento del Punto de Trabajo

Según lo expresado anteriormente se tendría períodos generados y períodos no generados, estos últimos mayores. Para evitar cortes frecuentes, es posible correr el punto de trabajo de la máquina, esto es: suponer un nuevo límite de corriente generada que puede ser, por ejemplo ¾ de la corriente nominal, en estas condiciones se podría generar más tiempo pero menos energía horaria.

Se elige el punto de trabajo (porcentaje de la corriente nominal), en función de la época del año, y se hace trabajar la máquina a esa nueva corriente nominal. Cuando los desacoples sean muy frecuentes se corre el punto de trabajo más abajo.

Punto de Trabajo

La potencia entregada por el grupo Turbina-Generador se puede expresar como:

Donde la corriente generada es directamente proporcional al caudal turbinado.

Representando la función I=f(Q) se tiene:

Para distintos puntos de trabajo menores que el nominal se tiene menores caudales que el nominal. El sistema "PARALELEX", tiende a mantener el punto de trabajo sobre la curva I=f(Q). En la gráfica se observa otros posibles puntos de trabajo. En la práctica se elige el punto de trabajo de generación nominal algo menor que el que se tendría para la máxima apertura del alabe regulador de la turbina.

Sensores de nivel

Como sensores de nivel de agua en el embalse, se analizaron y utilizaron, varios tipos de sensores, siempre teniendo en cuenta el factor económico.

Sensor por conducción eléctrica:

Este tipo de sensor, opera detectando la resistencia que presenta el agua al paso de la corriente eléctrica. Es tal vez, uno de métodos de detección mas económico, pero presenta algunos inconvenientes; uno de ellos es, que la fluctuación del agua en el entorno del punto de actuación, produce información inestable del nivel de agua. Otro inconveniente es que el circuito de detección se encuentra permanentemente energizado. Finalmente, como el sistema electrónico de detección, se encuentra en contacto directo con el espejo de agua, que presenta una especial atracción a la descargas atmosféricas, (muy abundante en la provincia de Misiones), está sujeto a averías frecuente, ver fig 11.

Sensor con Microcontactos Magnéticos

El sensor con microcontactos magnéticos a lengüeta (reed-switch), está formado por al menos dos microcontactos, accionados por el campo magnético generado desde un imán permanente, solidario a una boya de flotación, que se desplaza dentro de un tubo conforme varia el nivel de agua en la presa, ver fig. 12.

Sensor por Flotador

El sensor con flotador, es el que finalmente se adoptó, funciona con un flotador que desplaza una varilla, cerrando o abriendo unos contactos eléctricos, ver fig.13. Este tipo de sensor posee la ventaja de un accionamiento con histeresis regulable y sin rebotes, además de que solo alimenta el circuito de control cuando debe entrar en funcionamiento, permaneciendo desenergizado el resto del tiempo.

Una ventaja adicional del sistema con flotador, se encuentra en la línea de comunicación entre la presa y la casa de maquinas, que solo utiliza dos conductores, tipo par telefónico.

Conclusión

Algunas de la soluciones propuestas, pueden parecer anticuadas o muy simples, sin embargo en la práctica presentaron un desempeño satisfactorio.

La utilización de sistemas y circuitos tradicionales, permite el uso de elementos de fácil adquisición en el mercado local.

En las unidades electrónicas, se ha dado prioridad, al montaje de tipo modular enchufable. Este tipo de montaje, permite una rápida reparación por simple sustitución del modulo defectuoso, inclusive por personal no especializado.

Los módulos averiados, pueden ser enviados para su reparación a los grandes centros urbanos, por medio de transportes colectivos.

Las unidades modulares, permiten mantener un "stock" de respuesto en el aprovechamiento mismo, con un costo inferior, al que por ejemplo se tendría, en concepto de viáticos del personal encargado de las reparaciones.

• Los mecanismos simples y visibles, brindan confianza los encargados locales del mantenimiento. Inclusive estos muchas veces no solo reparan por su cuenta, sino que, también llegan a optimizan los sistemas.

• Los conceptos presentados para Aquanivel, no solos posibilitan la implementación de sistemas con componentes discretos sino que proporciona lineamientos generales, para la implementación con elementos de control mas modernos, como ser: autómatas programables (PLC, SLP, etc), computadoras personales, microprocesadores o microcontroladores, entre otros.

Bibliografía

• MICROTURBINA EN MISIONES– E. Barney – FIO – UNaM.

• GENERACION ASINCRONICA– H. Muñoz – A. Gonzalez – FIO – UNaM.

• PAUTAS PARA GENERACION EN PARALELO CON GENERADORES ASINCRONICOS – Victor H. Kurtz – FIO – UNaM.

• PARALELOS – P. Santander – Victor H. Kurtz – FIO – UNaM.

• PARALELO DE GENERADORES ASINCRONICOS – J. Bycovich. Rev. Tec. e Industria (Bs. As.).

• REVISTA TECNICA MEGAVATIOS Nº 62 – Bs. As.

• INFORME C.E.D.E. 1982.

• MAQUINAS MOTRICES, GENERADORES DE ENERGIA ELECTRICA – CEAC.

• ELECTRONICS LOAD CONTROL FOR MICRO HYDROPOWER PLANTS – Meir – Detti – SKAT St. Gallen – Zwitzerland.

• PUESTA EN PARALELO DE MICROCENTRALES -SISTEMAS Y CIRCUITOS PRACTICOS PROBADOS- VII Encuentro Latinoamericano en Pequeños Aprovechamientos Hidroenergeticos, Cajamaraca- Perú, Victor H. Kurtz, 1997.

• PARALELEX, PUESTA EN PARALELO DE MICROCENTRALES HIDROELECTRICAS. Revista Imagen, Facultad de Ingeniería. UNaM, N°3 – Año 2 – Junio de 1997, Victor H. Kurtz.

• PUESTA EN PARALELO DE MICROCENTRALES HIDROELECTRICAS CON GENERADORES ASINCRONICOS. Revista Ingeniería Eléctrica, Año 14 – N°146 – Junio de 2001, Victor H. Kurtz.

Autor:

Ing. Victor Hugo Kurtz

Profesor del Departamento de Electrónica

Universidad Nacional de Misiones

Facultad. de Ingeniería

Tel. 03755-422160 (Facultad)

Tel. 03755-421878 (Part.)

Trabajo In Extenso IX ELPAH

[1] Nombre genérico dado por el autor desde 1985, a distintos sistemas de indicación y detección, del nivel de agua en el embalse.

[2] Sensillus I: Nombre que le dio el autor, en 1984 a un sistema electrónico de control de microgeneración.

[3] Método presentado por el autor en el sistema de puesta en paralelo de generadores asincrónicos, denominado PARALEX.