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ACUERDO 80 DE 2000
(julio 27)
<Fuente: Archivo interno entidad emisora>
<Esta norma no incluye análisis de vigencia>
CONSEJO NACIONAL DE OPERACIÓN - CNO
Por el cual se aprueba el protocolo de pruebas para la estimación del factor de conversión de plantas hidráulicas
EL CONSEJO NACIONAL DE OPERACIÓN
en uso de sus facultades legales, en especial las conferidas en el Artículo 36 de la Ley 143 de 1994, la Resolución 8-0103 del 2 de febrero de 1995 del Ministerio de Minas y Energía, el Anexo general de la Resolución CREG 025 de 1995 y según lo definido en la reunión No. 133 del 27 de julio de 2000
ACUERDA:
PRIMERO.- Aprobar el Protocolo para la Estimación del Factor de Conversión de Plantas hidráulicas, anexo al presente Acuerdo. Dicho protocolo es válido para todas las pruebas realizadas a partir del año 2000.
SEGUNDO.- Las pruebas para la obtención del Factor de Conversión de Plantas Hidráulicas se deben realizar cada cinco (5) años, en lo posible en el primer año de dicho quinquenio, utilizando para ello el Protocolo aprobado en el punto anterior. Adicionalmente, cada empresa deberá estimar las fechas probables en que sus embalses alcancen los niveles requeridos para las pruebas.
TERCERO.- El presente Acuerdo rige a partir de la fecha
El Presidente,
OMAR SERRANO R.
El Secretario Técnico,
GERMÁN CORREDOR A.
PROTOCOLO PARA LA ESTIMACION DEL FACTOR DE CONVERSION DE PLANTAS HIDRAULICAS
1. DEFINICIONES
Para efectos del presente documento, se tendrán en cuenta las siguientes definiciones generales relacionadas con la producción de energía eléctrica utilizando la energía del agua:
Nivel del Embalse (H): elevación (cota) de la superficie libre del agua en el embalse, tomada en relación con el nivel del mar u otra cota arbitraria. Para efectos del presente protocolo el nivel del embalse corresponde al valor reportado diariamente por cada empresa al Centro Nacional de Despacho.
Potencia Eléctrica (N): es aquella producida al paso del agua por la turbina de una planta de generación y se calcula como:
Donde
N Potencia Eléctrica, en GW.
Q Caudal (m3/s), que se entiende como el volumen de agua que pasa por una sección definida en la unidad de tiempo.
H Cabeza hidráulica bruta (m), definida como la diferencia de elevación entre el nivel de la superficie libre del agua en el embalse y el eje de la turbina, si es una turbina Pelton, y con respecto al nivel de la descarga si es una turbina Francis.
Eficiencia de las turbinas
Eficiencia del Generador
hTransf Eficiencia del transformador
Eficiencia de la conducción (pérdidas hidráulicas)
Coeficiente de potencia
Factor de Conversión Hidráulico (Fc): es la relación entre la potencia eléctrica generada neta y la unidad de caudal necesaria para generar esa potencia, para una cabeza hidráulica determinada. Expresándose en MW/(m3/s), se calcula como sigue:
Curva del Factor de Conversión Hidráulico en Función del Nivel del Embalse: Debido a que el factor de conversión (Fc) varía con el nivel del embalse, es necesario definir una relación funcional entre dicho factor y el nivel del embalse. Para efectos de este protocolo, esta relación se obtiene a través de la medición del factor de conversión para diferentes niveles del embalse. El procedimiento a seguir está descrito en el punto 5 del presente protocolo.
Factor de Conversión Hidráulico medio de una Planta Hidráulica (Fcm): Es el factor de conversión más representativo de la planta, que será utilizado en los casos en que se requiera un valor único para efectos de modelación de la energía contenida en el embalse y/o la energía contenida en los aportes de los ríos afluentes. Es el factor de conversión asociado a un nivel del embalse correspondiente a la mediana de los registros históricos existentes de los niveles diarios reportados al CND durante los últimos cinco años.
2. OBJETIVO DE ESTE PROTOCOLO DE PRUEBAS
Establecer el alcance, procedimiento y periodicidad de las pruebas de los factores de conversión de las plantas hidráulicas del Sistema Interconectado Nacional,
3. AMBITO DE APLICACIÓN
Se aplica a todos los agentes económicos que poseen plantas de generación hidráulica despachadas centralmente, incluyendo las plantas que operan a filo de agua.
4. ALCANCE DE LAS PRUEBAS
Las pruebas se realizarán individualmente para cada una de las unidades de una planta. Los resultados obtenidos se promediarán aritméticamente. Como resultado de estas pruebas se obtendrá la función del factor de conversión de una planta hidráulica en relación con el nivel del embalse asociado. El Factor de Conversión Hidráulico medio será calculado a partir de esta función para el nivel definido en el punto 1. Tanto la función como el factor de conversión medio serán utilizadas para todos los efectos operativos y comerciales.
En aquellas plantas en las cuales la medición de caudal no se pueda hacer de manera individual para cada unidad se recomienda realizar la prueba a un grupo de unidades y medir el caudal en la conducción común a ellas. El Factor de Conversión se calcula como la relación entre la suma de las potencias del grupo de unidades y el caudal medido en la conducción.
5. PROCEDIMIENTO GENERAL
En primer lugar se requiere la selección de niveles de embalse en los cuales se hará la medición de la potencia generada por la planta. Cada agente seleccionará de acuerdo con sus condiciones de caída de su central, una de las siguientes variantes:
Variante 1:
a. Cada empresa, usando la información disponible de los niveles diarios de los embalses (cotas en metros sobre el nivel del mar) para los últimos cinco (5) años calendario que finalizan en el mes de diciembre del año inmediatamente anterior, y utilizando el procedimiento descrito en el Anexo No. 1 del presente documento, calculará para cada embalse los cuatro niveles para los cuales se hará la prueba del Factor de Conversión.
b. La prueba del Factor de Conversión se realizará en el sitio para los cuatro niveles obtenidos en el literal anterior, utilizando el procedimiento descrito en el Anexo No. 2. Los formatos para la toma de datos en el sitio y cálculo para cada una de las pruebas, se muestran en el Anexo 8 de este protocolo.
c. Estimación de la función del Factor de Conversión Hidráulico en relación con el nivel en el embalse para cada Planta Hidráulica, usando el procedimiento descrito en el Anexo No. 7 del presente Protocolo.
d. Cálculo del Factor de Conversión Hidráulico medio utilizando la metodología descrita en el Anexo No. 7 del presente Protocolo.
e. Para efectos de la determinación del factor de conversión correspondiente a aquellos niveles no incluidos dentro de los registros históricos durante los últimos cinco años de operación continua, se utilizara el método de extrapolación de la función obtenida en el punto (c).
Variante 2:
a. Cada empresa usando la información disponible de los niveles diarios de los embalses (cotas en metros sobre el nivel del mar) para los últimos cinco (5) años calendario que finalizan en el mes de diciembre del año inmediatamente anterior, y utilizando el procedimiento descrito en el Anexo No. 1 del presente documento, calculará para cada embalse los cuatro niveles para los cuales se hará la prueba del Factor de Conversión.
b. Cada agente determinará una banda de tolerancia en las mediciones (BT) como el cinco por mil de la caída bruta de la central. Esta banda se desplazará verticalmente a lo largo del rango de variación histórica de niveles (últimos cinco años). En caso de que en algún momento esta BT abarque los niveles de dos o más percentiles contiguos determinados en el punto anterior, se podrá hacer la prueba en cualquier nivel de embalse dentro de esta banda y esta medición reemplazará las mediciones de los percentiles cubiertos dentro de la banda. Sin embargo, en la gráfica que elaborará el auditor, el punto se dibujará de acuerdo con los valores medidos de factor de conversión y nivel.
c. Estimación de la función del Factor de Conversión Hidráulico en relación con el nivel en el embalse para cada Planta Hidráulica, usando el procedimiento descrito a partir del punto 3 del Anexo No. 7 del presente Protocolo.
d. Cálculo del Factor de Conversión Hidráulico medio utilizando la metodología descrita en el Anexo No. 7 del presente Protocolo.
e. Para efectos de la determinación del factor de conversión correspondiente a aquellos niveles no incluidos dentro de los registros históricos durante los últimos cinco años de operación continua, se utilizara el método de extrapolación de la función obtenida en el punto (c).
Este proceso en cualquiera de sus dos variantes se repetirá cíclicamente cada cinco años.
El agente, de acuerdo con las particularidades de la central, tendrá libertad de realizar las pruebas a cada unidad individualmente, o a toda la planta en conjunto. En aquellas plantas en las que se puedan efectuar las pruebas de varias unidades simultáneamente, pero con datos individuales por unidad, será opción del generador programarlas y ejecutarlas cumpliendo con los requisitos de los valores instantáneos y los valores acumulados que trata el anexo No. 2 y el anexo No. 8 del presente protocolo.
De igual manera, podrá utilizar un método único para la medición del caudal que pasa a través de la tubería de carga, o hacer la combinación que considere más adecuada de los métodos de medición que se presentan en los anexos 3,4,5 o 6.
En caso de que durante las pruebas objeto de este protocolo, alguna unidad se halle en mantenimiento debidamente soportado ante el CND, el factor de conversión para esta unidad será el menor valor del obtenido para las restantes unidades.
6. SELECCIÓN DEL AUDITOR
Las pruebas deberán ser auditadas por una firma nacional o extranjera. El Consejo Nacional de Operación -CNO-, será la entidad encargada de preseleccionar las firmas auditoras con base en los Términos de Referencia aprobados.
7. PLANTAS HIDRÁULICAS NUEVAS, O QUE SE ENCUENTREN EN PROCESO DE REINCORPORACIÓN AL MERCADO MAYORISTA
Para las plantas nuevas, que no poseen información histórica sobre niveles de sus embalses se utilizará el siguiente procedimiento:
a. Para todos los embalses del país consignados ante el CND se adimensionaliza en porcentaje la diferencia de cotas entre el Nivel Máximo de Operación y el Nivel Mínimo Técnico.
b. Dado que se conoce la historia para los embalses en operación, se pueden calcular los percentiles característicos teniendo en cuenta la serie correspondiente a los últimos cinco (5) años anteriores al año en el cual se realizan las mediciones, obteniendo una pareja ordenada (percentil 50, cota en msnm).
c. Con la cota asociada al percentil 50 se calcula la siguiente relación expresada en porcentaje:
(Cota percentil 50 - Nivel Mínimo Técnico) / (Nivel Máximo de Operación - Nivel Mínimo Técnico)
d. Se tabulan las relaciones anteriores para todos los embalses en operación y se obtiene el promedio aritmético. Este porcentaje encontrado es el percentil 50% de la nueva planta. Debe interpretarse como el porcentaje de la diferencia entre el Nivel Máximo de Operación y el Nivel Mínimo Técnico.
e. La nueva planta teniendo el porcentaje y la diferencia de niveles calcula el nivel del percentil 50% así:
Cota asociada al Percentil 50% = Nivel Mínimo Técnico + Porcentaje asociado * (Nivel Máximo de Operación en msnm - Nivel Mínimo Técnico en msnm)
En el caso de centrales nuevas que la CREG haya conceptuado como multipropósito, el procedimiento será diferente: se calculará el nivel medio como el promedio aritmético de los doce valores mensuales de la curva guía de operación del embalse. A partir de este nivel medio, se buscará el factor de conversión correspondiente en la curva teórica elaborada con base en el diseño. Este será el factor de conversión medio.
Con base en la metodología anterior, las plantas nuevas consignarán este valor ante la CREG durante el primer año siguiente al de entrada de toda la planta. Las pruebas deberán realizarse dentro de los dos años siguientes al de entrada en operación comercial de toda la planta.
PARÁGRAFO: Cuando por causas que hayan sido previamente justificadas al Consejo Nacional de Operación, no haya sido posible realizar una o más de las pruebas del Factor de Conversión programadas, los valores medidos se unirán mediante lineas rectas y se hará la extrapolación para los demás niveles no cubiertos siguiendo la misma tendencia de la curva teórica.
En cualquier caso, el agente ha de realizar la medición del factor de conversión en al menos un nivel cualquiera del embalse y la curva del Factor de Conversión se obtendrá desplazando la curva teórica hasta el punto medido.
La empresa que no haya realizado las pruebas en su totalidad se compromete a llevarlas a cabo cuando los niveles del embalse lo permitan y deberá explicar al Consejo Nacional de Operación (CNO) a más tardar quince (15) días antes de la fecha límite establecida por la CREG, para la entrega de la información de Cargo por Capacidad al CND, los motivos que le impidieron la realización de las pruebas.
8. ASPECTOS OPERATIVOS Y COMERCIALES
Los aspectos operativos y comerciales de la generación de plantas hidráulicas en etapa de pruebas seguirán los criterios establecidos en la Resolución 121 de 1998 y en aquellas que la sustituyan o modifiquen.
9. PLANTAS FILO DE AGUA
Para las plantas filo de agua y aquellas que no tengan un embalse de regulación que ocasione una cabeza hidráulica sobre las unidades de generación se estimará un factor de conversión único, en una sola prueba.
10. PRUEBAS DURANTE 1999 (TRANSITORIO).
Dado que algunas empresas realizaron pruebas durante 1999, se considera lo siguiente:
Si la prueba realizada durante el año 1999 no se hubiera realizado en los niveles correspondientes a los percentiles calculados con la serie 1994-1998, incluyendo su rango de tolerancia, pero dicho nivel sí cae en alguno de los percentiles y sus rangos definidos con la nueva serie de niveles diarios de 1995 a1999, se aceptará la prueba realizada en el año 1999 como prueba válida para el año 2000.
En cualquier otro caso, se aceptará como válida la prueba realizada en el año 1999 y, durante el año 2000 no se hace la prueba del percentil más cercano.
La curva que se construya durante el año 2000, incluirá el punto del nivel (en msnm) contra el factor de conversión medido en el año 1999.
En el año 2000 deberá hacerse la prueba para los niveles restantes, de acuerdo con lo definido en el punto 5 de este protocolo.
PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LOS CUATRO NIVELES (COTAS) DE EMBALSE A LOS CUALES SE REALIZARÁ LA PRUEBA DEL FACTOR DE CONVERSIÓN HIDRÁULICO.
El procedimiento general se basa en el análisis de frecuencias de niveles de embalse (elevación de la superficie libre del agua en el embalse en msnm) para los últimos cinco años, y la determinación de los valores correspondientes a los percentiles 25, 50, 75 y 90.
Cuando un conjunto de datos ordenado ascendentemente, de tamaño n, se divide en cien partes iguales, los puntos de división reciben el nombre de percentiles. En términos más generales, se entiende por el 100k-ésimo percentil, el valor por debajo del cual una variable se ha mantenido este mismo porcentaje de tiempo. Por ejemplo, el percentil 20% (k = 0.20) corresponde al valor del nivel del embalse por debajo del cual, el embalse se ha mantenido el 20 por ciento del tiempo analizado.
El procedimiento para encontrar el nivel de embalse Pk correspondiente al percentil k, a partir del conjunto de datos de tamaño (n) organizados en orden ascendente, es el siguiente:
1) Calcular la posición i del percentil k mediante el producto de n por k. Si nk no es un entero, entonces i es el siguiente entero más grande. Si nk es entero, i es igual a nk + 0.5;
2) Pk (nivel del embalse que corresponde al percentil k) será:
-Si i es entero, se cuenta desde la observación más pequeña (dato con la posición uno -1-) hasta hallar el i- ésimo valor, el cual corresponde a Pk.
-Si i no es un entero, entonces i contiene una fracción igual a un medio, con lo que el valor Pk será el promedio de los datos que ocupan el lugar nk y (nk + 1).
Con el procedimiento antes descrito, se encontrarán cuatro niveles de embalse (P25, P50, P75 y P90) correspondientes a los percentiles 25, 50, 75 y 90.
Se analizarán los niveles diarios del embalse reportados al CND para el período de los últimos cinco años calendario continuos.
NOTA: Si el nivel de algún percentil es mayor al Nivel Máximo de Operación del embalse, el valor de dicho percentil equivaldrá al del Nivel Máximo de Operación.
PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN DE LAS PRUEBAS DEL FACTOR DE CONVERSIÓN HIDRÁULICO
1. DOCUMENTOS DE LA PRUEBA
Para la realización de la misma se requiere la información básica referente a la prueba, la información general sobre la planta, las mediciones realizadas. Los resultados obtenidos serán consignados en tres documentos básicos:
1.1. Protocolo de Pruebas del Factor de Conversión Hidráulico
1.2. Informe de Pruebas del Factor de Conversión Hidráulico
1.3. Anexos
1.1. Protocolo de Pruebas del Factor de Conversión Hidráulico
Se utilizará un formato para cada prueba realizada.
El formato consta de las siguientes secciones:
A. Información general
B. Datos tomados durante las pruebas
C. Resultados de las pruebas y anexos
A. Información General
En esta sección se llenarán los datos generales sobre cada unidad. Es deseable que la Auditoría tenga la información aquí incluida con anterioridad a las pruebas, con el fin de disminuir el tiempo necesario en el sitio.
Se anotará el nombre de la planta, el tipo de planta (filo de agua o con embalse regulador), la localización de la planta, el número de la unidad, la fecha de la prueba, el nombre del propietario o del operador y el percentil al cual se va a realizar la prueba.
Se anotará el tipo de turbina, fabricante de la turbina, el modelo y fecha de iniciación de la operación comercial, así como el fabricante del generador, capacidad, voltaje y factor de potencia de diseño.
Se anotarán las capacidades bruta (en bornes de generador) y neta (en bornes de alta tensión del transformador principal), tanto nominal como la efectiva que la unidad puede generar en el momento de la prueba, así como el total de horas acumuladas de operación y las transcurridas desde el último mantenimiento mayor hasta el día de la prueba.
Dado que para turbinas tipo FRANCIS, existe una relación entre el nivel del embalse y la potencia que puede entregar la máquina, la prueba en cada percentil se realizará a la potencia que puede alcanzar en cada uno de dichos niveles a factor de potencia de diseño. Estos valores medidos serán registrados en el informe final de estas pruebas.
Para turbinas tipo PELTON, la potencia a la cual se hará la prueba será la misma registrada ante el Sistema de Intercambios Comerciales (SIC). Para turbinas tipo FRANCIS, la potencia será la correspondiente al nivel del embalse en el cual se hará la prueba. El Agente deberá informar con antelación estos valores al Auditor. Luego de la prueba, el auditor validará la capacidad efectiva neta de la planta, definida como aparece en la resolución CREG 059 de 1999.
Se especificará el método de medición de caudal, se incluirán los datos de los instrumentos de medición que serán utilizados para la prueba, tanto los contadores de energía eléctrica como los medidores del caudal y nivel en el embalse. Para cada instrumento se anotará la marca, tipo, número de serie, clase y precisión así como la fecha del certificado de calibración más reciente.
En lo que se refiere a grado de precisión, calibración y certificación de los contadores de energía eléctrica, en todas las plantas se debe dar cumplimiento a lo dispuesto en el Código de Medida (Numeral A.2.2 del Anexo CM- 1) o a los acuerdos establecidos entre el SIC y cada planta. Para la prueba se medirá la energía en el contador principal.
La medición del caudal utilizado por unidad podrá ser realizada por uno de los siguientes métodos: a) ultrasonido b) inyección de trazadores c) Termodinámico d) Aforo de una sección hidrométrica aguas debajo de la descarga (método hidrométrico) o e) Por diferencia de presiones (método del tupo Pitot). La selección del método de aforo será realizada por cada agente considerando las características propias de cada planta. Los métodos de aforo aparecen descritos en forma detallada en los anexos 3, 4, 5 y 6 respectivamente.
La fecha de verificación de la calibración de los instrumentos utilizados para la medición de caudal y que requieran calibración no podrá ser mayor a un (1) año.
B. Datos tomados durante la prueba
La prueba tendrá una duración de una hora y se tomarán las siguientes lecturas:
i) Valores instantáneos
Se tomarán las siguientes lecturas instantáneas con intervalos de diez minutos.
- Potencia, MW en bornes del generador. Esta medición se toma solamente para controlar que la carga de la unidad permanezca constante (la desviación máxima de la carga con relación a la potencia no podrá ser mayor al 2% del promedio de los valores medidos durante la prueba) y no es utilizada en los cálculos del factor de conversión hidráulico. Se utiliza el vatímetro propio de la unidad en la prueba.
- Caudal en m3/s con los instrumentos definidos para el método seleccionado (se consideran aceptables los métodos enumerados en A.). En caso de utilizar el método hidrométrico se deberá tener en cuenta el tiempo de rezago o viaje del flujo desde el sitio de descarga y el punto de medición del caudal.
- Factor de potencia (eos <|>), usando el medidor propio del generador. En caso de no poderse efectuar directamente la lectura, se tomarán los datos de potencia activa y reactiva y se calculará el factor de potencia correspondiente.
- Nivel del embalse (en m.s.n.m) usando el medidor propio del embalse. Al inicio de la prueba se debe comprobar que el nivel del embalse esté dentro del rango permisible de cinco percentiles (±5 percentiles) alrededor de nivel de referencia al que se le va a calcular el Factor de Conversión Asociado, o de la banda del 5 por mil de la cabeza bruta.
ii) Valores acumulados
Se utilizará un Método Directo para calcular el Factor de Conversión asociado al nivel del embalse. Este método considera cada unidad hidráulica de generación como un sistema “Input-Output" o tipo “caja negra", es decir, se medirá el caudal proporcionado a la unidad generadora y la correspondiente energía entregada por ella a la red del Sistema Interconectado Nacional.
Se tomarán los siguientes valores acumulados:
- Se medirá la energía eléctrica neta entregada al Sistema Interconectado Nacional en la frontera comercial, utilizando los instrumentos propios de la planta. Esta energía se medirá tomando las lecturas inicial y final del contador de la unidad y haciendo la diferencia. Si el contador está instalado en la salida de alta tensión del transformador principal, estas lecturas se anotarán en la columna Contador No.1, y el resultado es la energía eléctrica neta. Si el contador está instalado para medir energía generada en bornes de generador y existe un acuerdo legal entre la planta y el Mercado de Energía Mayorista respecto a la medición de energía eléctrica, se tomarán también las lecturas del contador de auxiliares y se anotarán en la columna Contador No.2; y -si fuese necesario- en la columna Contador No. 3. La energía neta será en este caso la diferencia entre las columnas Contador No.1 (generación bruta) y la suma de las columnas Contador No.2 y Contador No.3 (consumo de auxiliares), en estos casos se deberán tener en cuenta las pérdidas del transformador elevador del generador. Durante la prueba del Factor de Conversión deberán estar en funcionamiento todos los equipos auxiliares propios de la unidad, es decir aquellos que son estrictamente necesarios para que la Unidad produzca energía.
- El caudal utilizado en la unidad en el mismo período, corresponderá al valor promedio de las seis (6) lecturas tomadas a lo largo de la prueba. Si alguna de las lecturas tiene una desviación superior al 2% del promedio, esta no será tenida en cuenta para el cálculo del promedio, sin que sea causal de rechazo de la prueba. En el caso de utilizar el aforo hidrométrico para el cálculo del caudal, el Auditor podrá optar por realizar al menos una medición del caudal durante la prueba, o tomar las lecturas de los niveles de la sección hidrométrica más cercana (seis lecturas), para la cual se dispondrá de la curva de gastos debidamente calibrada.
La hoja de Datos Tomados Durante la Prueba (Anexo 8 ) será firmada por el representante del Propietario u Operador de la planta y por el representante de la Auditoría.
C. Resultados de las pruebas
En esta sección del formato se anotarán los datos medidos de caudal utilizado durante el período de la prueba y la generación eléctrica neta en MWh.
La información para efectuar las correcciones por factor de potencia, se deberá anexar al protocolo de pruebas y en caso de no estar disponible, el Auditor realizará los correspondientes ajustes, los cuales deberán ser aceptados por el operador o el dueño de la planta.
El caudal utilizado en la prueba, el nivel promedio registrado en el embalse durante la prueba y la potencia neta corregida, el nivel neto (Hneto), eficiencias de transformador, generador y turbina, serán los datos oficiales usados para la estimación del factor de conversión asociado a un nivel determinado. Se entiende que el factor de conversión calculado durante la prueba queda asociado con el nivel promedio del embalse durante la misma prueba. La función del Factor de Conversión se construirá (ver Anexo No. 7) por parte del Auditor, una vez se realicen las pruebas para los niveles de referencia, (ver Anexo No. 1).
1.2. Informe de Pruebas del Factor de Conversión Hidráulico
En el Informe de Pruebas se consignará el nombre de la planta, propietario u operador, fecha de la prueba y nombre de los representantes del Agente y de la Auditoría que participaron en la ejecución de la misma.
Se hará un breve resumen del desarrollo de la prueba en cuanto a la hora en que se realizó, carga de las unidades, etc.
Se anotarán los resultados de las pruebas en términos de potencia (MW), caudal utilizado (m3/s), nivel en el embalse (m.s.n.m), el Hneto, eficiencias, el percentil correspondiente a este nivel y la Capacidad efectiva neta.
Se consignarán las observaciones particulares a que haya lugar.
1.3. Anexos
Para cumplir con los estándares del protocolo, será obligatorio anexar los siguientes documentos:
- Diagrama unifilar simplificado indicando el punto de medición de la energía neta generada.
- La información general de cada unidad, datos tomados durante la prueba, de acuerdo con las Secciones A y B del formato de Protocolo (Anexo 8).
- Copia del certificado de calibración de los equipos de medición de caudal (donde sea aplicable).
- Datos técnicos del equipo con que se realizó la medición de caudal (marca, serial, quién operó el equipo).
- Diagrama que muestre el sistema de medición del caudal, indicando la localización del elemento de medición de flujo, así como los instrumentos asociados.
Curvas de corrección por variaciones en el factor de potencia para el generador.
- Podrán anexarse los documentos que, a juicio del Auditor, contribuyan a dar claridad al informe.
MEDIDA DE CAUDAL TURBINADO POR EL MÉTODO DE ULTRASONIDO EN UNIDADES GENERADORAS HIDRÁULICAS
OBJETIVO.
Medir el caudal turbinado por máquina o planta durante la prueba.
ANTECEDENTES Y METODO DE MEDICIÓN
Dados los diversos métodos de medidas disponibles actualmente y teniendo en cuenta la configuración física de las tuberías en las plantas, uno de los métodos confiables es el caudalímetro que utilizando la línea de retardo ultrasónica diferencial.
Un pulso ultrasónico se envía por un sensor a un segundo sensor en ángulo predefinido a respecto a la dirección del flujo. La emisión del haz se invierte y rebota luego al otro sensor. El tiempo de retardo entre los pulsos de emisión y recepción, en el sensor opuesto, permite conocer el caudal.
Se utiliza este método por la facilidad en el montaje y desmontaje de los equipos, no requiere cambiar la topología de la tubería, efectuándose la medida sin contacto, basado en el tiempo en tránsito del ultrasonido.
CARACTERISTICAS TECNICAS DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN.
Las características que deben cumplir los equipos de medición de ultrasonido son las siguientes:
- Rango de velocidad de flujo a medir desde 0.3 hasta 12.2 m / seg., con una precisión del 2%
- Medición en tuberías con velocidades de flujo llega hasta de 12.2 m / seg., teniendo una precisión del 2%.
- Capacidad para medir flujos en tuberías de ½” hasta 16 pies (12.5 mm hasta 5.000 mm).
- Permitir realizar medidas de flujo en tuberías de acero como de concreto.
- Preferencialmente con transductor para establecer con precisión el espesor de la pared de la tubería
- Poseer software para ser instalado en un PC y que permita el almacenamiento de datos y el despliegue en pantallas la visualización de los datos leídos.
- Precisión full escala +/- 2 %.
- Capacidad para corregir y eliminar errores de frecuencia y de turbulencia
- Que pueda ser utilizable en agua limpia, y sucia con tubería llena.
- Facilidad para el montaje de sensores exteriormente, sin necesidad de vaciar la conducción.
- Capacidad de medir espesores de tuberías hasta de 3 “ (76.2 MM).
CALIBRACIÓN DE EQUIPOS DE MEDICIÓN Y NORMAS PARA CONDUCIR LA PRUEBA
Los equipos antes de la prueba deben ser certificados y calibrados.
ALCANCE DEL MONTAJE DE LOS EQUIPOS y MEDICIÓN
El montaje del equipo y medición de los equipos se realiza de la siguiente manera:
- Se revisan las certificaciones de patronamiento de los equipos y sondas
- Se prepara una cinta donde se puedan sujetar y montar los sensores en la tubería.
- Se montan los sensores en la tubería de acuerdo al ángulo entre los mismos
- Se verifican las distancias entre los sensores aceptadas por el método: aguas arriba 10 Diámetros de la tubería y aguas abajo de 5 Diámetros de la tubería.
- Verificar el espesor de la tubería a medir con equipo de ultrasonido para medición de espesores o con el mismo equipo si trae sensores para estos ajustes.
- Se conectan los sensores al equipo programable.
- Se programa el equipo de acuerdo a medidas internas de la tubería y al fluido.
- Se hacen seis mediciones y se promedian por corrida
CONDICIONES ESPECÍFICAS QUE DEBEN CUMPLIR LOS EQUIPOS A UTILIZAR
La exactitud de la medida garantizada debe ser de +/- 2 %, bajo las siguientes condiciones:
La medida debe hacerse en un tramo rectilíneo de la tubería.
Los tamaños de tuberías deben de estar entre DIN 12.5 a 5.000 mm. (1”-192”)
La Longitud en línea recta debe ser aproximadamente 15 veces el diámetro de la tubería.
Los Rangos de caudal a medir deben estar entre 1 y 450.000 m3/h. ( 0.0003 - 125 m3 / seg.)
La velocidad del fluido no debe ser superior a 12 m/seg.
No debe existir el efecto de turbulencia ocasionado por codos o cambios bruscos de dirección cercanos a la zona de los sensores.
PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN.
Vea el catálogo de instrucciones del fabricante. Cada firma describe sus equipos, tiene su forma de instalación y restricciones en el proceso de medición. Para el caso de las pruebas de factor de conversión, su instalación es por medio de abrazaderas. Si en alguna planta desean tener medición de eficiencia en forma permanente se pueden instalar los sensores en forma definitiva, pero los reguladores deben tener el servicio de medir eficiencia en forma permanente.
PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES UTILIZANDO EL MÉTODO DE INYECCIÓN DE TRAZADORES
OBJETIVO.
Medir el caudal turbinado para determinar el Factor de Conversión.
PROCEDIMIENTO
Una vez analizada cada unidad de una planta, se selecciona el sitio donde se mide el caudal utilizando el método de trazadores radiactivos.
GENERALIDADES SOBRE TRAZADORES
Se define como trazador cualquier sustancia que incorporada a la masa de un fluido, permite medir con mas exactitud el paso del mismo a través de un conducto.
TRAZADOR IDEAL
Para utilizar un trazador en un estudio, este debe cumplir ciertas condiciones que lo caractericen como trazador ideal, a saber:
-Su comportamiento debe ser igual al agua, es decir el trazador y el agua deben desplazarse a la misma velocidad.
-No debe reaccionar física ni químicamente con el agua, para no interferir en su posterior detección.
-No debe ser absorbido por la conducción ni por el medio.
-No debe realizar intercambios iónicos con los materiales contenidos en el medio ni el material de las paredes de la conducción.
-Al ser adicionado no debe alterar la densidad, viscosidad y la temperatura del agua.
-Debe ser fácilmente soluble en agua
-No debe contaminar el medio.
TRAZADORES UTILIZADOS EN MEDICIÓN DE CAUDALES
TRAZADORES ARTIFICIALES
Existen los siguientes tipos:
-Trazadores sólidos en suspensión
-Trazadores químicos solubles
-Trazadores químicos colorantes
-Trazadores isotópicos estables
-Trazadores isotópicos radioactivos naturales
-Trazadores radioactivos artificiales.
TRAZADORES RADIOACTIVOS EXPRESAMENTE ADICIONADOS
Los isótopos radioactivos son preparados artificialmente en reactores nucleares, esos radioisótopos se detectan en el agua a través de las radiaciones emitidas. Por las mayores ventajas que ofrecen en las técnicas de medida, suelen utilizarse, preferiblemente, los emisores de rayos gamma.
RADIOISÓTOPOS UTILIZADOS
Los mas importantes son los siguientes:
1. Yodo-131 (t 1/2 = 8.05 días)
2. Bromo-82 (t 1/2 = 36 horas)
3. Cromo-51 (t 1/2 = 27.8 días)
4. Oro-198 (t 1/2 = 2.7 días)
5. Tritio (t 1/2 = 12.2 años)
Donde 11/2 = Período de Semidesintegración.
VENTAJAS IMPORTANTES
1. Extraordinaria sensibilidad y resolución de medida
2. Posibilidad de medida “in situ"
3. Vida limitada del trazador
PRECISIÓN DEL MÉTODO
De acuerdo a la norma CEI-EIC-41 el método cumple con la precisión de +/- 2%
MÉTODO DE INYECCIÓN INSTANTÁNEA
Este método consiste en inyectar un volumen (V) de solución radioactiva y con una concentración específica (C1) en forma instantánea dentro del medio. La concentración en un punto de muestreo aguas abajo (C2) será variable y por lo tanto función del tiempo.
Si se tiene en cuenta que la cantidad de radioisótopo inyectado es el mismo que pasa por el sitio de muestreo, se tendrá la siguiente ecuación de conservación.
Ci * Vi = C * dv (6)
Siendo dv un elemento de volumen de la corriente. Por lo tanto, el volumen total que pasa por el punto es:
V = Q * t donde, dv = Q * dt
Luego
Siendo A la actividad o cantidad de radioisótopos inyectado
Se obtiene
Para determinar la descarga Q es necesario conocer la cantidad de isótopo inyectado y evaluar la integral. Los datos obtenidos se llevan a una gráfica de concentración contra tiempo, y el área bajo la curva da el valor de la integral.
ASPECTOS DE SEGURIDAD PARA EL USO DE TRAZADORES RADIOACTIVOS
A continuación se describen las consideraciones básicas de seguridad radiológica y se detalla la planeación cumplida en la ejecución de los trabajos referente a seguridad en los procesos de operación, tales como transporte de material radioactivo al sitio, inyección de radiotrazador, detección y protección de la población en general y el medio ambiente.
CONSIDERACIONES BÁSICAS DE SEGURIDAD RADIOLÓGICA
El objetivo de la protección a la radiación es limitar el tiempo de exposición, de modo que los efectos nocivos causados a los individuos, sociedad y medio ambiente sean tan pequeños como sea posible.
Los principios de protección de la radiación están contenidos en las recomendaciones del ICRP (International Comisión of Radiological Protection), en lo concerniente a las dosis máximas permisibles.
Toda exposición se debe mantener de acuerdo a los parámetros recomendados, el trazador debe cumplir los requisitos de baja radiotoxicidad, vida media corta, actividad máxima permisible y utilizar instrumentos adecuados en medida de radiación.
Como se ha mencionado, los radiotrazadores utilizados en aplicaciones en hidrología y estudios ambientales, son de vida media corta, y una vez se dispersa en el ambiente, la concentración decrece en varios ordenes de magnitud.
SEGURIDAD DE LOS TRABAJADORES EXPUESTOS
Deben prepararse en el manejo, transporte, inyección, recolección de muestras en campo y demás aspectos técnicos relacionados con el manejo del trazador seleccionado.
SEGURIDAD DE LA POBLACIÓN
Está basada en un adecuado control de las cantidades de radiación transferidas al ambiente evitando que sean superiores al máximo permisible por año y consecuentemente protegiendo a la población potencialmente expuesta.
SEGURIDAD EN EL TRANSPORTE DEL MATERIAL RADIOACTIVO
El empaque usado para el transporte del material radioactivo debe cumplir con las normas de regulación, se transporta en castillos de plomo debidamente marcados y rotulados de acuerdo con las normas de protección,
NOTA: Con el ánimo de mantener la consistencia y observancia de los principios técnicos mínimos requeridos para la obtención de los parámetros del Factor de Conversión, el Auditor podrá recomendar modificaciones o ajustes a este anexo.
PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE CONVERSIÓN POR EL MÉTODO DE AFORO HIDROMETRICO
Este anexo presenta una breve descripción del procedimiento de medición de caudales, utilizando el método del aforo hidrométrico.
Este método, no obstante tener en promedio errores que pueden variar del 5% al 10% del valor real, es recomendado por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y es el de más amplia difusión entre los servicios hidrometeorológicos de todos los países. Este método se conoce también como método de área-velocidad, dado que se basa en la siguiente ecuación:
Donde:
Q | caudal de la sección del flujo, en m3/seg |
V | velocidad media de la sección, en m/seg |
A | área de la sección, en m2. |
Para una mejor comprensión, la figura 1 muestra la distribución volumétrica del flujo que pasa por una sección en cada unidad de tiempo.
Figura 1. Modelo área - velocidad
Nótese que la dinámica del flujo no es homogénea. Esto se debe a que el campo dinámico (velocidad) varía con la profundidad y a medida que el flujo se aleja de las riberas.
El método de área - velocidad subdivide el flujo en diferentes secciones individuales, que llamaremos s, (véanse recomendaciones generales al final de este anexo), cada una de las cuales tiene un caudal parcial, que se calcula utilizando de manera análoga la fórmula (1),
Donde:
qs caudal de la sección s
Vs velocidad media en la sección s
as área de la sección s
El caudal total (Q) es pues, la suma de los caudales parciales.
En la fórmula (2), cada sección parcial de ancho bs. se halla delimitada por dos verticales de velocidad (i e i+1), siendo la velocidad media de una sección cualquiera, el promedio de la velocidades de dos verticales vecinas, así:
Para obtener una mayor aproximación en la determinación de la velocidad en una vertical, es importante medir dicho parámetro en puntos localizados de la sección transversal, donde la velocidad promedio ocurra con mayor probabilidad. Estas velocidades serán multiplicadas por el peso asignado a cada profundidad de medición, obteniéndose de esta manera la velocidad en una vertical dada de la sección.
Generalmente, en un canal la velocidad máxima ocurre entre 0.05 y 0.25 del tirante (profundidad) por debajo de la superficie del agua, y la velocidad mínima se desplaza en el sitio de contacto del flujo con la superficie rugosa del lecho. La velocidad media se localiza aproximadamente a 0.60 del tirante. Sin embargo, la naturaleza misma del lecho puede hacer que la velocidad media se desplace desde esta profundidad hacia otra difícil de identificar.
El procedimiento recomendado en este anexo es el del aforo detallado, el cual considera que la medición de velocidad se deberá hacer a cinco (5) diferentes profundidades.
Aforo detallado:
Se realiza cuando se mide la velocidad del flujo en cinco (5) diferentes profundidades para cada vertical de medición.
La velocidad media en una vertical se calcula utilizando la fórmula recomendada por la OMM, como sigue:
Donde los subíndices sup, 0.2h, 0.6h, 0.8h y fondo denotan las velocidades medidas a nivel superficial, al 20%, 60%, 80% de la profundidad y en el fondo de la sección.
Si no es posible estimar la velocidad en las orillas, dicha velocidad se calcula utilizando la velocidad de la vertical más cercana a cada ribera, multiplicándola por un factor (k) obtenido de la siguiente tabla:
Condición de la ribera | K |
Pendiente suave con profundidad 0 en la ribera | 0.7 |
Ribera natural e irregular | 0.8 |
Ribera revestida de un material uniforme | 0.9 |
Presencia de espacios muertos | 0.5 |
Si por algún motivo es imposible medir la velocidad en una vertical en cinco puntos, se acepta que dicha medición sea en tres puntos, utilizando la siguiente fórmula:
Recomendaciones:
La OMM recomienda para la selección del sitio de medición lo siguiente:
- La sección debe ser recta y uniforme aguas arriba del sitio de medición, en una distancia de al menos cinco (5) veces el ancho total de la misma
- El lecho de la sección debe ser suave, libre de vegetación, rocas u otras obstrucciones.
- El lecho y las bancas de la sección deben ser firmes y estables.
- La dirección del flujo debe ser normal a la sección de medición.
- Las velocidades deben ser mayores a 0.15 m/seg. y menores de 2.5 m/seg.
Se debe tratar de que no pase más del 10% del caudal total, a través de alguna sección parcial. Por ello, es aconsejable dividir la sección de aforos en al menos 11 secciones parciales.
El instrumento utilizado para la medición de la velocidad es el escorrentómetro, micromolinete o caudalímetro. Por regla general cada instrumento tiene asociada una tabla de calibración única, que relaciona la frecuencia de giro de sus hélices por unidad de tiempo con la velocidad de la corriente.
A este respecto se recomienda que el equipo que haga el aforo por el método de área - velocidad, conozca de antemano los instrumentos de medición.
Finalmente, en caso de utilizar el escorrentómetro mecánico para la medición de la velocidad, se recomienda que cada medición tenga al menos una duración de 45 segundos.
NOTA: con el ánimo de mantener la consistencia y observancia de los principios técnicos mínimos requeridos para la obtención de los parámetros del Factor de Conversión, el Auditor podrá recomendar modificaciones o ajustes a este anexo, sin detrimento en la calidad de los resultados.
PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICION DE CAUDALES, UTILIZANDO EL METODO DE DIFERENCIA DE PRESIONES
INTRODUCCIÓN
En el presente Anexo se describen los Métodos de medición de caudales que son utilizados en centrales Hidroeléctricas como son el Tubo Pitot y el Tubo Prandtl. Con estos métodos se pueden medir caudales en conductos cerrados antes de turbinar con una precisión hasta de ±2%, de acuerdo con la tabla Al de la norma CEI IEC-41 “Field acceptance tests to determine the hydraulic perfomance of hydraulic turbines, storage pumps and pump - turbines”.1991-11.
METODO DE MEDICION DE CAUDAL POR MEDIO DEL TUBO PITOT EN CONDUCTOS CERRADOS DE CENTRALES HIDROELECTRICAS
Este método fue ideado por Pitot para medir la presión total, llamada también presión de estancamiento (suma de la presión estática y de la presión dinámica). En la siguiente figura 1, se pueden ver las líneas de corriente.
Al encontrarse el flujo al inicio del tubo punto 1 con la corriente, forma un punto de estancamiento o de remanso. La velocidad en ese punto se reduce a cero y la presión, se aumenta hasta el valor obtenido en la siguiente fórmula:
Donde:
Pt Presión total o de estancamiento o de remanso
P0 Presión de la corriente antes de la perturbación
V0 Velocidad de la corriente antes de la perturbación (teóricamente en el infinito)
G Aceleración de gravedad
= p*g Peso específico, que se define como el peso por unidad de volumen
Suponemos por sencillez, que los puntos 0y 1 se encuentran en el mismo plano horizontal, despreciado asi las pérdidas.
Aplicando la ecuación anterior entre las secciones 1 y 2 tendremos:
Pero en 1 y 2 se presentan condiciones estáticas, es decir,
Luego
Esta fórmula expresa la presión de estancamiento en el tubo Pitot.
Donde:
Y
Conociendo la velocidad del flujo y teniendo el área interna (A) de la conducción cerrada o tubería tenemos que
Por consiguiente, el caudal en la sección medida es:
La formula que definimos últimamente nos permite calcular el caudal que pasa por una tubería de una Central Hidroeléctrica a través del método del Tubo Pitot.
3. METODO DE MEDICION DE CAUDAL POR MEDIO DEL TUBO DE PRANDTL EN CONDUCTOS CERRADOS EN CENTRALES HIDROELECTRICAS
Fue idea de Prandtl la de combinar en un solo instrumento el Tubo Pitot y un tubo Piezométrico. El tubo Pitot mide la presión total, en tanto que el tubo Piezométrico mide la presión estática, y el tubo de Prandtl mide la diferencia de las dos, que es la presión dinámica. Es muy usado frecuentemente en los laboratorios con líquidos y gases para medir la velocidad y el caudal.
En la figura-2 se muestra un tubo Prandtl introducido en un fluido de densidad p, conectado a un manómetro diferencial, cuyo líquido manométrico tiene una densidad Pm
El tubo Prandtl, al ser introducido en el fluido produce una perturbación, que se traduce en la formación de un punto de estancamiento, de tal forma que:
P1=Pt V1=0
En el punto 0 de la corriente no perturbada tiene la presión P0 y la velocidad V0 que es la velocidad a medir.
El punto 1 se elige a la entrada del tubo Pitot, en tanto que en el punto 2 (véase figura 2) se tiene en realidad un tubo piezométrico con diversas entradas laterales que no perturban la corriente y que miden por lo tanto la presión estática.
Despreciando en primera aproximación las diferencias de alturas de velocidad y geodésicas entre los puntos 0 y 2 que suelen ser muy pequeñas por ser el tubo muy fino y estar en la corriente en 2 prácticamente normalizada después de la perturbación en 1, se tendrá, despreciando también las pérdidas:
V2=V0t
P2=P0
Donde Vot_ Velocidad teórica en la sección 0
Si aplicamos la ecuación de Bernoulli entre 0 y 1 (Zo= Z1, V1, = 0 -Punto de estancamiento).
Aplicando la ecuación fundamental de la hidrostática entre los puntos 1 y 2 (Z1 = Z2)
Finalmente se tiene que:
que es la presión dinámica teórica del tubo de Prandtl.
Despejando, tenemos:
Para aplicar la ecuación de velocidad en medición de caudales de agua tenemos:
Donde es la densidad relativa del líquido manométrico.
En la práctica V2 es algo mayor que V0, por lo tanto de acuerdo con la ecuación de Bernoulli P2 es inferior a P0. Por consiguiente, la velocidad a medir (que es la real V0) es la siguiente:
Esta es finalmente la velocidad real de la corriente de agua en el tubo Prandtl.
Donde Cv - Coeficiente de velocidad del Tubo Prandtl, que oscila entre 0.01 y 1,03 y que se determina experimentalmente. Sin embargo, si el tubo se orienta paralelamente a las líneas de la corriente y con una inclinación inferior al 10°, puede hacerse aproximadamente Cv = 1.
Conociendo la velocidad y teniendo el área interna de la conducción del agua hacia las turbinas tenemos:
Qo - Caudal medido hacia la turbina o turbinas.
Las dimensiones de los tubos Prandtl están normalizadas y en la figura 3 se muestran las relaciones dimensionales que se deben observar.
Figura 3
NOTA; Dado, que en la práctica ingenieril existen diversas variantes al método general de medición por diferencia de presiones, expuesto en este anexo, el Auditor para avalar este método, deberá conocer de antemano las características particulares de los instrumentos utilizados para la estimación del caudal en aquellas centrales que utilicen este sistema.
Adicionalmente, con el ánimo de mantener la consistencia y observancia de los principios técnicos mínimos requeridos para la obtención de los parámetros del Factor de Conversión, el Auditor podrá recomendar modificaciones o ajustes a este anexo.
PROCEDIMIENTO PARA LA ESTIMACIÓN DE LA FUNCION DEL FACTOR DE CONVERSION HIDRÁULICO Y EL CÁLCULO DEL FACTOR DE CONVERSIÓN HIDRÁULICO MEDIO
El procedimiento general es el siguiente:
1.- Cada empresa propietaria de centrales de generación hidroeléctrica despachadas centralmente (excepto las filo de agua), recolectará la información histórica de niveles diarios de cada embalse correspondiente a los últimos cinco años calendario continuos, y las curvas vigentes de nivel - capacidad de dichos embalses.
2- Con base en la información obtenida en el punto anterior, cada empresa calculará para cada embalse los niveles correspondientes a los percentiles 25, 50, 75 y 90.
3.- Un Consultor dentro de los preseleccionados por el CNO auditará la prueba y calculará el Factor de Conversión para cada nivel seleccionado.
4.- A partir de los valores obtenidos en el punto 2, el Auditor utilizará el método que dé mejor ajuste estadístico y construirá la gráfica de la relación entre el Factor de Conversión y su nivel asociado.
5.- El Auditor extrapolará la función obtenida en el punto anterior, de tal forma que cubra el rango entre el nivel mínimo físico y nivel máximo de operación.
6.- Una vez realizada la medición de los Factores de Conversión para los niveles del punto 3, se estima el factor de conversión medio a partir de la función obtenida en 4, utilizando para ello el nivel mediano de los registros históricos de los últimos cinco años.
7. Las plantas filo de agua, definidas por acuerdo del CNO, sólo realizarán una prueba de factor de conversión.
PROTOCOLO DE PRUEBA FACTOR DE CONVERSIÓN HIDRÁULICO
PLANTAS HIDRÁULICAS
NOTA: con el ánimo de mantener la consistencia y observancia de los principios técnicos mínimos requeridos para la obtención de los parámetros del Factor de Conversión, el Auditor podrá recomendar modificaciones o ajustes a estas tablas.