Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 33, No. 4, October-December, 2024, ISSN: 2071-0054
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SOFTWARE

Computer program for the design and evaluation of the Francis turbine in a Small Hydroelectric Power Plant

 

iDYoelkis Hernández-VictorIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

iDNoidys Quirós-MartínIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.*✉:

iDOscar Brown-ManriqueIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

iDCarlos Miguel Sánchez-MonteserínIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

iDMaiquel López-SilvaIIUniversidad Ricardo Palma, Lima, Perú.


IUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

IIUniversidad Ricardo Palma, Lima, Perú.

 

*Author for correspondence: Noidys Quirós-Martín, e-mail: noidysquirosmartin@gmail.com

ABSTRACT

Hydroelectric plants are of great importance for agricultural development by providing clean energy, supporting irrigation and contributing to the stability of the electrical grid, which directly benefits the productivity and sustainability of the agricultural sector. The present study was developed at the Small Hydroelectric Power Plant “Alzamiento de Jagüecito” in the Chambas Basin with the objective of developing a computer program for the design and evaluation of the Francis turbine. The methodology used consisted of a web system in the Python programming language from which the following parameters were calculated: power, rotation speed, specific speed, net jump height, absolute entry speed, tangential speed, impeller parameters and flow parameters. the metallic spiral chamber. The results showed that the INFO_FRANCIS computer program allows determining the power of the turbine, the electrical energy produced and the load factor from the behavior of the water levels in the reservoir. This program is useful to compare the results of the program with the data obtained from the Hydraulic Use Company and the Electrical Union of the province; in addition to helping to monitor the operation of the turbine, which prevents possible problems that may arise and suggests viable corrective measures that should be applied.

Keywords: 
Turbined Flow, Hydropower, Turbine Power, Net Head

Received: 03/1/2024; Accepted: 05/9/2024

Yoelkis Hernández-Victor. Dr.C., Prof. Titular, Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Departamento de Informática, Ciego de Ávila, Cuba. e-mail: yoelkishv@gmail.com.

Noidys Quirós-Martín. M.Sc., Prof. Auxiliar, Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Departamento de Mecánica Aplicada, Ciego de Ávila, Cuba.

Oscar Brown-Manrique. Dr.C., Prof. Titular, Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Centro de Estudios Hidrotécnicos (CEH), Ciego de Ávila, Cuba. e-mail: obrown@unica.cu

Carlos Miguel Sánchez-Monteserín. Dr.C., Prof. Titular, Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Departamento de Mecánica Aplicada, Ciego de Ávila, Cuba. e-mail: monte@unica.cu

Maiquel López-Silva. Dr.C., Prof. Titular, Universidad Ricardo Palma, Perú. e-mail: maiquel.lopez@urp.edu.pe.

The authors of this work declare no conflict of interests.

AUTHOR CONTRIBUTIONS: Conceptualization: Y. Hernández, N. Quirós, O. Brown. Data curation: N. Quirós, O. Brown, C. M. Sánchez. Research: N. Quirós, O. Brown. Methodology: Y. Hernández, N. Quirós, O. Brown, M. López. Supervision: N. Quirós, O. Brown. Validation: N. Quirós, O. Brown, C.M. Sánchez. Papers/Writing, original draft: N. Quirós, O. Brown. Writing, review and editing: N. Quirós, O. Brown, C.M. Sánchez.

The mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials is for identification purposes; there is no promotional commitment related to them, neither for the authors nor for the publisher.

CONTENT

INTRODUCTION

 

Fossil fuels are currently the main source of energy to meet energy requirements; However, they are highly polluting and very expensive; For this reason, it is beneficial to implement alternative technologies such as small hydroelectric plants Morales et al. (2014)MORALES, S.; CORREDOR, L.; PABA, J.: “Stages in the development of a small hydropower project: Context and implementation basic criteria”, DYNA, 81(184): 178-185, 2014, ISSN: 0012-7353., which are of great importance for agricultural development by providing clean energy, supporting irrigation and contributing to the stability of the network electricity, which directly benefits the productivity and sustainability of the agricultural sector (Diez y Olmeda, 2008DIEZ, H.J.M.; OLMEDA, S.S.: “Diseño eco-hidrológico de pequeñas centrales hidroeléctricas: evaluación de caudales ecológicos”, Energética, 39: 65-76, 2008, ISSN: 0120-9833.).

Benefiting and improving the electrical service in intricate and mountainous areas is a complex task due to the necessary care that must be taken to reduce the environmental impacts that hydroelectric projects can generate to the minimum possible (Galbán et al., 2023GALBÁN, R.L.; SÁNCHEZ, L.P.; BRITO, S.A.L.; HERRERA, H.A.: “Potencial hidroeléctrico en cuencas hidrográficas de montaña sujetas a regulaciones ambientales cubanas. Apuntes para su aprovechamiento”, Boletín de Ciencias de la Tierra, 53: 40-50, 2023, ISSN: 0120-3630.). This procedure includes the vision of an alternative model for the use of water and energy resources through hydroelectric plants, which represent the country's effort in the use of new agroecological technologies in the agricultural sector (Arias, 2009ARIAS, G.M.D.L.A.: “Cuba: reforma y transformación agraria. La crisis de los noventa y el proceso de desestatalización de la agricultura”, Revista IDeAS, 3(1): 6-29, 2009, ISSN: 2451-6910.).

The global energy situation requires new challenges to solve the problems that traditional electricity generation systems have caused due to the increase in energy demand that will double by 2050 Monirul et al. (2021)MONIRUL, I.M.; ASHFAQ, A.; SALMAN, R.; HEMAL, C.; TAMAL, C.; PIYAL, C.; SADIQ, M.S.; YOUNG, K.P.: “An overview of the hydropower production potential in Bangladesh to meet the energy requirements”, Environ. Eng. Res, 26(6): 200-514, 2021, ISSN: 1226-1025, DOI: https://doi.org/10.4491/eer.2020.514., the increase in generation costs and the need to replace the use of oil, which has promoted the use of renewable energy sources; including hydropower, which accounts for around 20% of the world's electricity (Prodanović et al., 2019PRODANOVIĆ, M.; MILTENOVIĆ, A.; NIKODIJEVIĆ, M.: “Determination of operating parameters of turbines for micro hydroelectric power plants for optimal use of hydropower”, [en línea], En: 9th International Scientific Conference - Research and Development of Mechanical Elements and Systems-IRMES 2019 Kragujevac, Serbia, Ed. IOP Publish Ltd IOP, Kragujevac, Serbia, 2019, Disponible en: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/659/1/012046/pdf.).

Small hydroelectric plants have a small generating capacity; However, its hydropower generation must cover the estimated demand during its useful life Moscoso & Montealegre (2013)MOSCOSO, M.L.B.; MONTEALEGRE, T.J.L.: “Impactos en la flora terrestre por la implementación de pequeñas centrales hidroeléctricas en Alejandría, Antioquia”, Producción+ Limpia, 8(2): 85-93, 2013, ISSN: 1909-0455.; Therefore, a hydrological and environmental study is required prior to the construction of the work (Espejo et al., 2017ESPEJO, M.C.; GARCÍA, M.R.; APARICIO, G.A.E.: “El resurgimiento de la energía minihidráulica en España y su situación actual”, Revista de Geografía Norte Grande, 67: 115-143, 2017, ISSN: 0718-3402.).

The mathematical modeling of a small hydroelectric plant must consider the entire hydraulic system until reaching the generation units and must be evaluated based on the error analysis according to the model performance index. The model can be used for the distribution of load or power to be generated (Estrada et al., 2013ESTRADA, V.I.D.; PEÑA, P.J.A.; GUARNIZO, L.C.: “Estimación de modelos lineales para el control predictivo de pequeñas centrales hidroeléctricas”, Revista Soluciones de Postgrado, 5(9): 63-78, 2013.).

It is evident that the use of energy obtained from the combustion of hydrocarbons must be replaced by renewable energies; But it is a complex engineering task that requires the support of computer programs that facilitate the design of the necessary parameters of hydroelectric plants and make this process less cumbersome; For this reason, the objective of this work is to develop a computer program for the design and evaluation of the Francis turbine installed in the Small Hydroelectric Power Plant “Alzamiento de Jagüecito”, which generates electric current for activities related to the production of sugar cane and its derivatives, agriculture, livestock, supply to the population and the construction materials industry.

MATERIALS AND METHODS

 

The research was carried out in the Chambas River Hydrographic Basin, located on the northern slope of Cuba in the province of Ciego de Ávila; It covers the municipalities of Florencia and Chambas with an area of ​​384,374 km2. The coordinates are included according to the North Cuba Coordinate System GCS_NAD27-CU in: Upper: 286754.723900 m; Left: 700995.360200 m; Right: 720785.727100 m; Lower: 248273.406300 m. In this basin is the Liberación de Florencia Hydraulic Complex, of Ciego de Ávila, made up of the Chambas I (Cañada Blanca) and Chambas II reservoirs; as well as the Small Hydroelectric Power Plant “Alzamiento de Jagüecito” with a generation capacity of 1.2 MW with the use of Francis type turbines.

A computer system was developed consisting of a web system in the Python programming language in accordance with Challenger et al. (2014)CHALLENGER, I.; DÍAZ, Y.; BECERRA, B.R.A.: “El lenguaje de programación Python”, Ciencias Holguín, 20(2): 1-13, 2014, ISSN: 1027-2127. with the purpose of calculating the parameters of a Francis turbine for use in design and evaluation tasks. The computer system developed in the research was validated by specialists from the Hydraulic Use Company and the National Energy Union of the province of Ciego de Ávila. The criteria used for validation were the following: need for the software, usefulness for the company, speed, precision and user satisfaction.

The parameters of the Francis turbine that are calculated in this computer program for a Small Hydroelectric Power Plant are: power, rotation speed, specific speed, net head height, absolute inlet speed, tangential speed, impeller primitive diameter, outlet diameter of the impeller, number of impeller blades, primitive width of the impeller, impeller entry width, entry speed to the metallic spiral chamber, diameter of the first arc of the spiral and diameter of the remaining arcs of the spiral.

The power of the Small Hydroelectric Power Plant (P) in kW was calculated according to Gutiérrez et al. (2019)GUTIÉRREZ, U.L.; PEÑA, P.L.; HIDALGO, G.R.: “Determinación de la carga de diseño en los proyectos hidroenergéticos a pie de presa”, Ingeniería Hidráulica y Ambiental, 40(3): 126-140, 2019, ISSN: 1680-0338. and Pérez et al. (2022)PÉREZ, C.B.; GARCÍA, F.L.; FONG, B.J.; DOMÍNGUEZ, A.H.R.; PEÑA, P.L.: “Control del proyecto de una mini hidroeléctrica auxiliar para una pequeña central”, Ingeniería Mecánica, 25(2): 647, 2022, ISSN: 1815-5944. as a function of the turbined flow (Qe) in m3 s-1, the height of the net head (Hn) in m and the turbine efficiency (η) as:

P = ρ g Q e H n η 1000
 (1)

The rotation speed of the turbine (N) in rpm was estimated considering the specific speed of the turbine (Ns) in rpm, the height of the net head (Hn) in m and the power of the Small Hydroelectric Plant (P). The specific flow rate (Nq) was taken into account the turbined flow (Qe). The following equations were used:

N s = 3470 H n 0.625
 (2)
N = N s H n 5 / 4 P
 (3)
N q = N   Q e N n 3 / 4
 (4)

The absolute inlet speed in m s-1 (Co), the tangential speed in m s-1 (u1), the impeller pitch diameter in m (D1), the impeller outlet diameter in m (D2), the number of impeller blades (Z), the impeller primitive width in m (a1) and the impeller inlet width in m (b1) were designed using the equations listed below:

C o = 0.66 2 g H n
 (5)
u 1 = 0.293 + 0.0081 N q 2 g H n
 (6)
D 1 = 60 u 1 π N
 (7)
D 2 = 4.375 Q e N 3
 (8)
Z = 18.87 e 0.001 N s
 (9)
a 1 = 0.191   l n N s 0.651 D 1
 (10)
b 1 = 0.000006   N s 2 + 0.0014 N s + 0.0085 D 1
 (11)

The design of the spiral chamber and the distributor was carried out based on the entry speed to the metallic spiral chamber in m (Cecm). The spiral chamber is divided into eight 45º arcs with equal flow; Therefore, the dimensions of the spiral chamber are dependent on the diameter of the first arc of the spiral (d1). The remaining diameters (di) were calculated according to equations used by Illidge et al. (2020)ILLIDGE, A.J.M.; CHACÓN, V.J.L.; CHACÓN, V.A.J.; ROMERO, P.C.A.: “Diseño y simulación de un sistema pico-hydro para la generación de energía eléctrica en zonas rurales, mediante un software de mecánica de fluidos computaciona”, Revista UIS Ingenierías, 19(1): 155-170, 2020, ISSN: 1657-4583..

C e c m = 0.18 + 0.28 2 g H n
 (12)
d 1 = 1.146 Q e C e c m
 (13)

The annual energy produced in kWh (EAP) was determined from the turbine power in kW (P), the annual operating time of the generator in hours (Tfa), the operating time of the generator in the day in hours (Tfd) and the days of the month (dm). On the other hand, the load factor (Fc) was obtained with the equivalent time in h (Te), the annual operating time of the generator in hours (Tfa), the annual energy produced (EAP) and the nominal power of the turbine in kW according to the following equations:

E A P = P T f a
 (14)
T f a = 365   T f d
 (15)
T e = E A P P n o m
 (16)
F c = T e T f a
 (17)

RESULTS AND DISCUSSION

 

In this research, the INFO_FRANCIS software was developed in the Python v 3.7.6 programming language, which was used because it has a large number of libraries for data processing. It was decided that the application would be web-based, because this way researchers would have easy access to it from any workstation, laptop, tablet or smartphone. These workstations are responsible for showing the server's response to the client without the need to install any additional software except the browser, which comes pre-installed in most of the Operating Systems used today.

Once the application is deployed, it can be accessed using an authentication mechanism based on users and roles. Each authorized user must belong to one or more of the roles defined below. System administrator: only has access to assigning roles to users, Hydropower Administrator: has permissions to modify and create, everything related to the configuration of system parameters. You can also request reports on them, but only in reading and Specialist mode: you can request all types of reports handled by the system. It also has permissions to modify the parameters regardless of the values found.

Figure 1 shows the main interface, which appears once the system is accessed through the browser; Given the determined role, you access the interior of the application. When the user enters the program (Figure 2) he can supply the input data such as: average flow rate, gross head height, pressure pipe diameter, pressure pipe length, pipe roughness coefficient, efficiency of the turbine, nominal turbine power and operating time in the day. The program has two functions to perform: operation and cleaning the information.

FIGURE 1.  Main interface of the INFO_FRANCIS program.
FIGURE 2.  Data interface of the INFO_FRANCIS program.

The INFO_FRANCIS program quickly and accurately calculates hydraulic parameters such as ecological flow, turbine flow, minimum technical flow, flow speed, pressure pipe diameter, head losses, net head height, turbine power, speed specific speed, rotation speed, specific flow speed, absolute speed, tangential speed, parameters of the impeller and the metal spiral chamber (Figure 3).

FIGURE 3.  Results interface of the INFO_FRANCIS program.

The development of a computer program for the design and evaluation of a Francis turbine (one of the most used hydraulic turbines in hydroelectric plants) is of great importance for the evaluation of different possible damage scenarios that these turbines may suffer, the understanding of its behavior in the event of a certain breakdown, obtaining valid criteria in the process of the engineering study in a given basin, the evaluation of the environmental impact associated with the construction of a dam and the maintenance of the turbine. In this sense, Aquino et al. (2019)AQUINO, A.S.M.; FREIRE, Q.M.H.; ORDOÑEZ, V.M.A.; POZO, S.E.R.: “Diseño y manufactura asistida por computadora en la fabricación de la “Kaplan Turbine Blade””, Polo del Conocimiento, 4(12): 162-187, 2019, ISSN: 2550 - 682X, DOI: https://doi.org/10.23857/pc.v4i12.1200. demonstrated that the use of computer programs can help improve the performance of turbine power under specific operating conditions; requiring intensive investigation of watershed parameters.

CONCLUSIONS

 
  • The INFO_FRANCIS computer program is a computational instrument based on the knowledge of the equations that govern the design and evaluation process of Francis hydraulic turbines installed in Small Hydroelectric Power Plants based on parameters of the hydrographic basin such as average flow, turbined flow, ecological flow, minimum technical flow, jump height; as well as the length and diameter of the pressure pipe.

  • The application of the INFO_FRANCIS program allows determining the power of the turbine, the electrical energy produced and the load factor in a given period of time, based on the behavior of the water levels in the reservoir and the parameters of the installed Francis turbine; admitting to compare the results of the program with the data obtained from the Hydraulic Use Company and the Electrical Union of the province.

  • The use of the computer program contributes to monitoring the operation of the Francis turbine with greater quality and systematicity, which prevents possible problems that may arise and suggests possible corrective measures that should be applied.

REFERENCES

 

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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias Vol. 33, No. 4, October-December, 2024, ISSN: 2071-0054
 
SOFTWARE

Programa informático para el diseño y evaluación de la turbina Francis en una Pequeña Central Hidroeléctrica

 

iDYoelkis Hernández-VictorIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

iDNoidys Quirós-MartínIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.*✉:noidysquirosmartin@gmail.com

iDOscar Brown-ManriqueIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

iDCarlos Miguel Sánchez-MonteserínIUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

iDMaiquel López-SilvaIIUniversidad Ricardo Palma, Lima, Perú.


IUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez (UNICA), Ciego de Ávila, Cuba.

IIUniversidad Ricardo Palma, Lima, Perú.

 

*Autor para correspondencia: Noidys Quirós-Martín, e-mail: noidysquirosmartin@gmail.com

RESUMEN

Las centrales hidroeléctricas presentan gran importancia para el desarrollo agropecuario al proporcionar energía limpia, apoyar el riego y contribuir a la estabilidad de la red eléctrica, lo que beneficia directamente a la productividad y sostenibilidad del sector agropecuario. El presente estudio se desarrolló en la Pequeña Central Hidroeléctrica “Alzamiento de Jagüecito” de la Cuenca Chambas con el objetivo de desarrollar un programa informático para el diseño y evaluación de la turbina Francis. La metodología utilizada consistió en sistema web en lenguaje de programación Python a partir del cual se calcularon los siguientes parámetros: potencia, velocidad de rotación, velocidad específica, altura del salto neto, velocidad absoluta de entrada, velocidad tangencial, parámetros del rodetes y parámetros de la cámara espiral metálica. Los resultados demostraron que el programa de computo INFO_FRANCIS permite determinar la potencia de la turbina, la energía eléctrica producida y el factor de carga a partir del comportamiento de los niveles de agua en el embalse. Este programa es útil para comparar los resultados del programa con los datos obtenidos de la Empresa de Aprovechamiento Hidráulico y la Unión Eléctrica de la provincia; además de contribuir a monitorear el funcionamiento de la turbina, lo que previene ante posibles problemas que se presenten y sugiere las medidas de corrección viables que deberán aplicarse.

Palabras clave: 
caudal turbinado, hidroenergía, potencia de la turbina, salto neto

INTRODUCCION

 

Los combustibles fósiles son actualmente la principal fuente de energía para suplir los requerimientos energéticos; sin embargo, son altamente contaminantes y muy costosos; por tal motivo, es beneficioso la implementación de tecnologías alternativas como las pequeñas centrales hidroeléctricas Morales et al. (2014)MORALES, S.; CORREDOR, L.; PABA, J.: “Stages in the development of a small hydropower project: Context and implementation basic criteria”, DYNA, 81(184): 178-185, 2014, ISSN: 0012-7353., las cuales presentan gran importancia para el desarrollo agropecuario al proporcionar energía limpia, apoyar el riego y contribuir a la estabilidad de la red eléctrica, lo que beneficia directamente a la productividad y sostenibilidad del sector agropecuario (Diez y Olmeda, 2008DIEZ, H.J.M.; OLMEDA, S.S.: “Diseño eco-hidrológico de pequeñas centrales hidroeléctricas: evaluación de caudales ecológicos”, Energética, 39: 65-76, 2008, ISSN: 0120-9833.).

Beneficiar y mejorar el servicio eléctrico en zonas intrincadas y montañosas es una tarea compleja debido al cuidado necesario que se debe tener en la reducción al mínimo posible de los impactos ambientales que pueden generar los proyectos hidroeléctricos (Galbán et al., 2023GALBÁN, R.L.; SÁNCHEZ, L.P.; BRITO, S.A.L.; HERRERA, H.A.: “Potencial hidroeléctrico en cuencas hidrográficas de montaña sujetas a regulaciones ambientales cubanas. Apuntes para su aprovechamiento”, Boletín de Ciencias de la Tierra, 53: 40-50, 2023, ISSN: 0120-3630.). Este proceder incluye la visión de un modelo alternativo para el aprovechamiento de los recursos hídricos y energético a través de centrales hidroeléctricas, las cuales representan el esfuerzo del país en la utilización de las nuevas tecnologías agroecológicas en el sector agropecuario (Arias, 2009ARIAS, G.M.D.L.A.: “Cuba: reforma y transformación agraria. La crisis de los noventa y el proceso de desestatalización de la agricultura”, Revista IDeAS, 3(1): 6-29, 2009, ISSN: 2451-6910.).

La situación energética mundial requiere de nuevos desafíos para la solución de los problemas que han ocasionado los tradicionales sistemas de generación de energía eléctrica debido al aumento de la demanda energética que se duplicará para el 2050 Monirul et al. (2021)MONIRUL, I.M.; ASHFAQ, A.; SALMAN, R.; HEMAL, C.; TAMAL, C.; PIYAL, C.; SADIQ, M.S.; YOUNG, K.P.: “An overview of the hydropower production potential in Bangladesh to meet the energy requirements”, Environ. Eng. Res, 26(6): 200-514, 2021, ISSN: 1226-1025, DOI: https://doi.org/10.4491/eer.2020.514., el incremento de los costos de generación y la necesidad de reemplazar el uso del petróleo, lo cual ha promovido la utilización de las fuentes de energía renovables; incluyendo la energía hidráulica, que representa alrededor del 20% de la electricidad en el mundo (Prodanović et al., 2019PRODANOVIĆ, M.; MILTENOVIĆ, A.; NIKODIJEVIĆ, M.: “Determination of operating parameters of turbines for micro hydroelectric power plants for optimal use of hydropower”, [en línea], En: 9th International Scientific Conference - Research and Development of Mechanical Elements and Systems-IRMES 2019 Kragujevac, Serbia, Ed. IOP Publish Ltd IOP, Kragujevac, Serbia, 2019, Disponible en: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/659/1/012046/pdf.).

Las pequeñas centrales hidroeléctricas tienen una potencia de generación pequeña; no obstante, su generación hidroenergética debe cubrir la demanda estimada durante su vida útil Moscoso & Montealegre (2013)MOSCOSO, M.L.B.; MONTEALEGRE, T.J.L.: “Impactos en la flora terrestre por la implementación de pequeñas centrales hidroeléctricas en Alejandría, Antioquia”, Producción+ Limpia, 8(2): 85-93, 2013, ISSN: 1909-0455.; por tanto, se requiere de un estudio hidrológico y ambiental previo a la construcción de la obra (Espejo et al., 2017ESPEJO, M.C.; GARCÍA, M.R.; APARICIO, G.A.E.: “El resurgimiento de la energía minihidráulica en España y su situación actual”, Revista de Geografía Norte Grande, 67: 115-143, 2017, ISSN: 0718-3402.).

La modelación matemática de una pequeña central hidroeléctrica debe contemplar todo el sistema hidráulico hasta llegar a las unidades de generación y deben ser evaluados con base en el análisis del error de acuerdo con el índice de desempeño del modelo. El modelo puede ser utilizado para la distribución de carga o potencia a generar (Estrada et al., 2013ESTRADA, V.I.D.; PEÑA, P.J.A.; GUARNIZO, L.C.: “Estimación de modelos lineales para el control predictivo de pequeñas centrales hidroeléctricas”, Revista Soluciones de Postgrado, 5(9): 63-78, 2013.).

Es evidente que el uso de energía obtenida de la combustión de hidrocarburos debe ser reemplazada por energías renovables; pero se trata de una labor de ingeniería compleja que requiere del apoyo de programas de cómputo que facilite el diseño de los parámetros necesarios de las centrales hidroeléctricas y hagan menos engorroso este proceso; por tal motivo, el objetivo del presente trabajo es desarrollar un programa informático para el diseño y evaluación de la turbina Francis instalada en la Pequeña Central Hidroeléctrica “Alzamiento de Jagüecito”, la cual genera corriente eléctrica para actividades relacionadas con la producción de caña de azúcar y sus derivados, la agricultura, la ganadería, el abasto a la población y la industria de materiales de la construcción.

MATERIALES y METODOS

 

La investigación se realizó en la Cuenca Hidrográfica del Río Chambas, situada en la vertiente norte de Cuba en la provincia de Ciego de Ávila; abarca los municipios de Florencia y Chambas con un área de 384,374 km2. Las coordenadas están comprendidas según el Sistema de Coordenadas Cuba Norte GCS_NAD27-CU en: Superior: 286754,723900 m; Izquierdo: 700995,360200 m; Derecho: 720785,727100 m; Inferior: 248273,406300 m. En esta cuenca se encuentra el Conjunto Hidráulico Liberación de Florencia, de Ciego de Ávila, constituido por los embalses Chambas I (Cañada Blanca) y Chambas II; así como la Pequeña Central Hidroeléctrica “Alzamiento de Jagüecito” con una capacidad de generación de 1,2 MW con la utilización de turbinas del tipo Francis.

Se desarrolló un sistema informático consistente en un sistema web en lenguaje de programación Python acorde con Challenger et al. (2014)CHALLENGER, I.; DÍAZ, Y.; BECERRA, B.R.A.: “El lenguaje de programación Python”, Ciencias Holguín, 20(2): 1-13, 2014, ISSN: 1027-2127. con la finalidad de calcular los parámetros de una turbina Francis para su utilización en tareas de diseño y evaluación. El sistema informático desarrollado en la investigación fue validado por especialistas de la Empresa de Aprovechamientos Hidráulicos y la Unión Nacional de Energía la provincia de Ciego de Ávila. Los criterios utilizados para la validación fueron los siguientes: necesidad del software, utilidad para la empresa, rapidez, precisión y satisfacción del usuario.

Los parámetros de la turbina Francis que se calculan en este programa informático para una Pequeña Central Hidroeléctrica son: potencia, velocidad de rotación, velocidad específica, altura del salto neto, velocidad absoluta de entrada, velocidad tangencial, diámetro primitivo del rodete, diámetro de salida del rodete, número de álabes del rodete, ancho primitivo del rodete, ancho de entrada del rodete, velocidad de entrada a la cámara espiral metálica, diámetro del primer arco de la espiral y diámetro de los restantes arco de la espiral.

La potencia de la Pequeña Central Hidroeléctrica (P) en kW se calculó según Gutiérrez et al. (2019)GUTIÉRREZ, U.L.; PEÑA, P.L.; HIDALGO, G.R.: “Determinación de la carga de diseño en los proyectos hidroenergéticos a pie de presa”, Ingeniería Hidráulica y Ambiental, 40(3): 126-140, 2019, ISSN: 1680-0338. y Pérez et al. (2022)PÉREZ, C.B.; GARCÍA, F.L.; FONG, B.J.; DOMÍNGUEZ, A.H.R.; PEÑA, P.L.: “Control del proyecto de una mini hidroeléctrica auxiliar para una pequeña central”, Ingeniería Mecánica, 25(2): 647, 2022, ISSN: 1815-5944. en función del caudal turbinado (Qe) en m3 s-1, la altura del salto neto (Hn) en m y la eficiencia de la turbina (η) como:

P = ρ g Q e H n η 1000
 (1)

La velocidad de rotación de la turbina (N) en rpm se estimó considerando la velocidad específica de la turbina (Ns) en rpm, la altura del salto neto (Hn) en m y la potencia de la Pequeña Central Hidroeléctrica (P). La velocidad específica del caudal (Nq) se tuvo en cuenta el caudal turbinado (Qe). Se utilizaron las siguientes ecuaciónes:

N s = 3470 H n 0,625
 (2)
N = N s H n 5 / 4 P
 (3)
N q = N   Q e N n 3 / 4
 (4)

La velocidad absoluta de entrada en m s-1 (Co), la velocidad tangencial en m s-1 (u1), el diámetro primitivo del rodete en m (D1 ), el diámetro de salida del rodete en m (D2), el número de álabes del rodete (Z), el ancho primitivo del rodete en m (a1) y el ancho de entrada del rodete en m (b1) se diseñaron mediante las ecuaciones que se relacionan a continuación:

C o = 0,66 2 g H n
 (5)
u 1 = 0,293 + 0,0081 N q 2 g H n
 (6)
D 1 = 60 u 1 π N
 (7)
D 2 = 4,375 Q e N 3
 (8)
Z = 18,87 e 0,001 N s
 (9)
a 1 = 0,191   l n N s 0,651 D 1
 (10)
b 1 = 0,000006   N s 2 + 0,0014 N s + 0,0085 D 1
 (11)

El diseño de la cámara espiral y el distribuidor se realizó en función de la velocidad de entrada a la cámara espiral metálica en m (Cecm). La cámara espiral se divide en ocho arcos de 45º con igual caudal; por lo que las dimensiones de la cámara espiral son dependientes del diámetro del primer arco de la espiral (d1). Los restantes diámetros (di) se calcularon según ecuaciones utilizadas por Illidge et al. (2020)ILLIDGE, A.J.M.; CHACÓN, V.J.L.; CHACÓN, V.A.J.; ROMERO, P.C.A.: “Diseño y simulación de un sistema pico-hydro para la generación de energía eléctrica en zonas rurales, mediante un software de mecánica de fluidos computaciona”, Revista UIS Ingenierías, 19(1): 155-170, 2020, ISSN: 1657-4583..

C e c m = 0,18 + 0,28 2 g H n
 (12)
d 1 = 1,146 Q e C e c m
 (13)

La energía anual producida en kWh (EAP) se determinó a partir de la potencia de la turbina en kW (P), el tiempo de funcionamiento anual del generador en horas (Tfa), el tiempo de funcionamiento del generador en el día en horas (Tfd) y los días del mes (dm). Por otra parte, el factor de carga (Fc) se obtuvo con el tiempo equivalente en h (Te), el tiempo de funcionamiento anual del generador en horas (Tfa), la energía anual producida (EAP) y la potencia nominal de la turbina en kW según las ecuaciones siguientes:

E A P = P T f a
 (14)
T f a = 365   T f d
 (15)
T e = E A P P n o m
 (16)
F c = T e T f a
 (17)

RESULTADOS Y DISCUSION

 

En esta investigación se desarrolló el software INFO_FRANCIS en lenguaje de programación Python v 3.7.6, el cual se utilizó por tener gran cantidad de librerías para procesamiento datos. Se decidió que la aplicación fuera web, debido a que así los investigadores tendrían acceso a la misma fácilmente desde cualquier estación de trabajo, laptops, tabletas o smartphone. Estas estaciones de trabajo son las encargadas de mostrar la respuesta del servidor al cliente sin necesidad de instalar ningún software adicional excepto el navegador, que viene preinstalado en la mayoría de los Sistemas Operativos utilizados en la actualidad.

Una vez desplegada la aplicación, se puede acceder a la misma utilizando un mecanismo de autenticación basado en usuarios y roles. Cada usuario autorizado deberá pertenecer a uno o varios de los roles definidos a continuación. Administrador del sistema: solo tiene acceso a la asignación de roles a los usuarios, Administrador hidroenergético: tiene permisos para modificar y crear, todo lo relacionado con la configuración de los parámetros del sistema. Puede solicitar además informes sobre las mismas, pero solo en modo lectura y Especialista: puede solicitar todos los tipos de reportes que maneja el sistema. Tiene además permisos para modificar los parámetros independientemente de los valores encontrados.

En la Figura 1 se muestra la interfaz principal, la cual aparece una vez que se accede al sistema mediante el navegador; dado el rol determinado se accede al interior de la aplicación. Cuando el usuario ingresa al programa (Figura 2) puede suministrar los datos de entrada como: caudal medio, altura del salto bruto, diámetro de la tubería de presión, longitud de la tubería de presión, coeficiente de rugosidad de la tubería, eficiencia de la turbina, potencia nominal de la turbina y tiempo de funcionamiento en el día. El programa cuenta con dos funciones a realizar: operación y limpiar la información.

FIGURA 1.  Interfaz principal del programa INFO_FRANCIS.
FIGURA 2.  Interfaz de datos del programa INFO_FRANCIS.

El programa INFO_FRANCIS, calcula de manera rápida y precisa los parámetros hidráulicos como caudal ecológico, caudal turbinado, caudal mínimo técnico, velocidad del flujo, diámetro de la tubería de presión, perdidas de carga, altura del salto neto, potencia de la turbina, velocidad específica, velocidad de rotación, velocidad específica del caudal, velocidad absoluta, velocidad tangencial, parámetros del rodete y de la cámara de espiral metálica (Figura 3).

FIGURA 3.  Interfaz de resultados del programa INFO_FRANCIS.

El desarrollo de un programa de computación para el diseño y evaluación de una turbina Francis (una de las turbinas hidráulicas más utilizadas en las centrales hidroeléctricas) tiene gran importancia para la evaluación de diferentes escenarios de daños posibles que pueden sufrir estas turbinas, la comprensión de su comportamiento ante una determinada avería, la obtención de criterios válidos en el proceso del estudio ingenieril en una cuenca dada, la evaluación del impacto ambiental asociado a la construcción de una presas y el mantenimiento de la turbina. En este sentido, Aquino et al. (2019)AQUINO, A.S.M.; FREIRE, Q.M.H.; ORDOÑEZ, V.M.A.; POZO, S.E.R.: “Diseño y manufactura asistida por computadora en la fabricación de la “Kaplan Turbine Blade””, Polo del Conocimiento, 4(12): 162-187, 2019, ISSN: 2550 - 682X, DOI: https://doi.org/10.23857/pc.v4i12.1200. demostró que la utilización de programas de computo pueden ayudar al mejoramiento del rendimiento de la potencia de la turbina en las condiciones específicas de funcionamiento; requiriendo una investigación intensiva de los parámetros de la cuenca hidrográfica.

CONCLUSIONES

 
  • El programa de computo INFO_FRANCIS es un instrumento computacional sustentado en el conocimiento de las ecuaciones que rigen el proceso de diseño y evaluación de las turbinas hidráulicas Francis instaladas en Pequeñas Centrales Hidroeléctricas en función de parámetros de la cuenca hidrográfica como caudal medio, caudal turbinado, caudal ecológico, caudal mínimo técnico, altura del salto; así como la longitud y diámetro de la tubería de presión.

  • La aplicación del programa INFO_FRANCIS permite determinar la potencia de la turbina, la energía eléctrica producida y el factor de carga en un periodo de tiempo determinado, a partir del comportamiento de los niveles de agua en el embalse y los parámetros de la turbina Francis instalada; admitiendo comparar los resultados del programa con los datos obtenidos de la Empresa de Aprovechamiento Hidráulico y la Unión Eléctrica de la provincia.

  • La utilización del programa de computo contribuye a monitorear con mayor calidad y sistematicidad el funcionamiento de la turbina Francis, lo que previene ante posibles problemas que se presenten y sugiere las posibles medidas de corrección que deberán aplicarse.