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Evaluacin de sistemas de bombeo de aguaManual de eficiencia energtica

Primera edicin

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Banco Interamericano de Desarrollo

EVALUACIN PARA SISTEMAS DE BOMBEO DE AGUAManual de efciencia energtica

Primera edicin

Iniciativa de Agua y SaneamientoIniciativa de Energa Sostenible y Cambio Climtico

Washington, D.C.2011

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La produccin de esta publicacin estuvo a cargo de la Ocina de Relaciones Externas del BID.

Banco Interamericano de Desarrollo, 2011. Todos los derechos reservados. Las opinionesexpresadas en esta publicacin pertenecen a los autores y no necesariamente refejan los puntosde vista del BID.

Para mayor inormacin o consultas, por avor dirigirse a: [email protected] o [email protected].

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Contenido

Presentacin vii

Resumenejecutivo ix

Defniciones xi

Simbologa xiii

Captulo 1. Introduccin: una etapa clave del plan integral de efciencia energtica 1

Captulo 2. Metodologa para una auditora energtica 3Actividadesdecampo 4Actividadesdeofcina 4

Captulo 3. Investigacin previa 7

Contextonacionalydelsectorenergtico 7Contextonacionaldelsectoragua 7Situacinparticulardelaempresadeaguaysaneamiento 7

Captulo 4. Recoleccin de datos 9Datosdelsistemaelctrico 11Datosnominalesdelmotor 12Datosnominalesdelabomba 13

Captulo 5. Mediciones de campo 15Medicindeparmetroselctricos 15Medicindeparmetroshidrulicos 19Formatoderegistrodedatosencampo 24

Medicionesdetemperatura 26

Captulo 6. Anlisis de la inormacin y evaluacin de la efciencia 29Prdidasenergticasensistemasdeagua 29Balancedeenergadelsistema 30Aspectosaevaluarenunaauditoradeefcienciaenergtica 30Clculodeprdidaselctricasenconductoresytransormadores 31Clculodeprdidasyefcienciadelmotor 36Clculodeprdidasyefcienciadelabomba 40Clculodeprdidasdecargaentuberas 45Clculodelasprdidasenlared 47Clculodeindicadoresenergticos 53Elaboracindebalancesdeenerga 54Anlisisdelascondicionesdeoperacin 56

Captulo 7. Identifcacin de oportunidades de ahorro de energa 59Medidasrelacionadasconlatariadeenerga 59Medidasparalareduccindeprdidasenlasinstalacioneselctricas 62Medidasparaincrementarlaefcienciadelosmotores 66Medidasparaincrementarlaefcienciadelasbombas 70Reduccindeprdidasdecarga 74Reduccindeugas 75Mejorarlaoperacin 77Mejorarelmantenimiento 80Reemplazodelauentedesuministrodeenergaelctrica 80

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Captulo 8. Evaluacin de las medidas de ahorro 85Evaluacindelosahorros(balancedeenergaesperado) 85Evaluacineconmicadelahorroytasaderetorno 86Elaboracindelreportefnaldelplandeefcienciaenergtica 88

Lista de cuadros

Cuadro4.1Inormacinarecopilardelaempresadeagua 9Cuadro5.1Descripcindelacampaademedicin 15Cuadro5.2Procesodeclculoparalacargahidrulicadebombeo(hb)yparmetrosamedir 24Cuadro5.3Formatoparaelregistrodedatosnominalesycaractersticasdelsistemaelectromecnico 25Cuadro5.4Formatoparaelregistrodemedicionesdevariableshidrulicasyelctricasdeequiposdebombeo 26Cuadro6.1Prdidasenuntransormadorelctricoenuncindesucapacidadnominal 32Cuadro6.2Resistenciaparadierentescalibresdeconductorycadadevoltajeparaelejemploendesarrollo 35Cuadro6.3Clculodeprdidasenergticasporeectojoulefnalesparaelejemploendesarrollo 36Cuadro6.4Depreciacindelaefcienciadeunmotorrebobinadoenuncindelatemperaturautilizada 38Cuadro6.5Viscosidaddinmicadelagua 45Cuadro6.6EjemplodedisgregacindeprdidasenunsistemadebombeodelinstitutoCostarricense

deacueductosyalcantarillados(aya)encostarica 55Cuadro7.1Anlisiscomparativodetariaselctricas 60

Cuadro7.2Accionesrecomendadasparamejorarlascondicionesenuntransormador 63Cuadro7.3Accionesrecomendadasparacorregireldesbalancedevoltajedealimentacinalosmotoreselctricos 66Cuadro7.4Accionesrecomendadasparacorregircondicionesdeoperacininefcientedelosmotoreselctricos 68Cuadro7.5Accionesrecomendadasparaajustarlascurvasdelequipodebombeoalacondicinrealdeoperacin 71Cuadro7.6Secuenciadeactividadesparaimplementarunprogramadecontroldeugas 76Cuadro8.1Formatoderesumendeahorrosdeenergaderivadosdelplandeahorrodeenerga 87

Lista de grfcosGrfcoidiagramasimpledelbalancedeenerga ixGrfco1.1Esquemadelasetapasnecesariasparalarealizacindeunpiee 1Grfco1.2Esquemadeunsistematpicodesuministroyconsumoenergticoensistemasdeaguapotableysaneamiento2Grfco2.1Metodologapararealizarunaauditoraenergtica 3

Grfco5.1Medicindelatensin(voltaje)enequiposdebombeo 17Grfco5.2Medicindecorrienteelctricaenequiposdebombeo 18Grfco5.3Medicindelapotenciarealdespusdeloscapacitores 19Grfco5.4Medicindelapotenciarealantesdeloscapacitores 19Grfco5.5Posicindelmedidordecaudal 20Grfco5.6Medicindenivelesencasodetenernicamentemanmetroenladescarga 22Grfco5.7Medicindenivelesencasodecontarconmanmetrosensuccinydescarga 22Grfco5.8Medicindenivelesenequipossumergibles 22Grfco6.1Prdidasenergticastpicasenloscomponenteselectromecnicosdeunsistemadeagua 29Grfco6.2Descripcingrfcadelbalancedeenergadelsistema 30Grfco6.3Detalledecomponentestpicosdeunasubestacin 31Grfco6.4Prdidasentransormadoresenuncindelatemperatura 33Grfco6.5Flujodeenergasenunmotorelctrico 36

Grfco6.6Curvatpicadeefcienciarenteacargaparamotoresdeinduccindejaulade1800rpm 37Grfco6.7Puntosdeefcienciaadepreciarenuncindeladierenciadevoltajeconrespectoala

nominalenunmotorelctrico 39Grfco6.8Reduccinporcentualdelaefcienciadeunmotorelctricoenuncindeldesbalancedevoltaje 39Grfco6.9Diagramaenergticoglobaldelasbombascentrugas 41Grfco6.10Diagramaesquemticodelasefcienciasqueintegranlaefcienciaelectromecnica 42Grfco6.11Diagramademoody 46Grfco6.12Arreglotpicodebombascentrugasoperadasenparalelo 48Grfco6.13Caractersticasdecarga-capacidaddebombascentrugasoperadasenparalelo 48Grfco6.14Eectodevariasbombasenparalelosobreelsistemadeconduccin 49Grfco6.15Nomogramaparaclculodelongitudequivalenteenaccesoriosdetuberas 52

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Grfco6.16DisgregacindeprdidasdeunsistemadebombeodelayaenCostaRica 55Grfco6.17Diagramaesquemticodelosproblemasquesepresentanporoperacindelasbombasueradesupunto

ptimo 57Grfco6.18Modifcacindelaefcienciaporvariacindecondicionesdeoperacinenunabomba 58Grfco7.1Comparacindecostosportaria 61Grfco7.2Curvatpicadedosequiposdebombeoconcurvash-qdierentes 70

Grfco7.3Diagramadeunabombadeturbinadeechadeimpulsorabiertoysuscomponentes 72Grfco7.4Diagramadeunmotorechahuecaacopladoaunabombadeturbina 73Grfco7.5Esquemadeuncionamientodeunmolinodevientoparaextraeraguasubterrnea 82Grfco8.1Balancedeenergaesperadoalimplementarunplandeahorrodeenerga 85

Lista de otograasFotograa5.1Medicindepresinconmanmetrotipobourdoncalibrado 21Fotograa5.2Medicindelniveldinmicodesuccinencrcamosdebombeo 23Fotograa5.3Medicindelniveldinmicoencrcamosdebombeo 23Fotograa6.1Componentestpicosdeunasubestacin 31Fotograa6.2Componentestpicosdelsistemaelectromotrizdeunsistemadebombeo 34

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PRESENTACIN

Con el propsito de mejorar el servicio de agua potable que se brinda a la sociedad de los pasesde Amrica Latina, a travs del desarrollo de una metodologa regional de eciencia energticay mantenimiento que pueda ser aplicada por empresas de agua, en el marco del Programa de

Cooperacin Tcnica Eciencia Energtica en Empresas de Agua y Saneamiento en Centroamricananciado por el Fondo Especial de Operaciones del Banco Interamericano de Desarrollo (BID), se hacontado con los servicios de consultora de Econoler Internacional y Alliance to Save Energy, con eln de desarrollar dicha metodologa de eciencia energtica y mantenimiento en el sector de agua ysaneamiento. La presente publicacin corresponde al Manual de evaluacin de eciencia energticapara sistemas de bombeo en empresas de agua y saneamiento, que se ha delineado a estos eectos.Tambin estn disponibles un Manual de mantenimiento para sistemas de bombeo de agua, una Hojade clculo de eciencia energtica para sistemas de bombeo y una Gua para la hoja de clculo.

El desarrollo de esta metodologa ha sido contratado y supervisado por la Divisin de Agua (INE/WSA) y la Unidad de Energa Sostenible y Cambio Climtico (INE/ECC) por partes iguales.

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RESUMEN EJECUTIVO

E

n este manual se describen las etapas necesarias para realizar una auditoria energtica (AE)

en un sistema de agua y saneamiento para Amrica Latina, as como tambin las principales

tcnicas de ingeniera que se utilizan para el diagnstico y la evaluacin de las oportunidades

de ahorro ms importantes en este tipo de sistemas, con el objetivo de identicar medidas tcnicas yadministrativas rentables para el ahorro de energa en dichas instalaciones.

El principio conceptual de la AE es el balance de energa. Este se basa esencialmente en determinar

la energa consumida y las prdidas en cada componente del proceso de bombeo: es decir, desde la

entrada de energa en la acometida del suministrador, pasando por todos los elementos del sistema,

hasta la entrega de agua al punto de uso. Este mtodo permite distinguir cunta energa suministrada

se convierte en trabajo til, que es el mnimo trabajo para bombear el agua estrictamente necesaria

hasta todos los puntos del sistema de distribucin. En el grco i se presenta un diagrama simple del

balance.

La energa que no se convierte en trabajo til representa una prdida y, por ende, reas de oportuni-

dad de ahorro. Esta tcnica permite identicar y cuanticar en dnde estn las mayores prdidas y

cunto de esas prdidas se puede ahorrar, sin dejar ninguna parte del sistema sin evaluar.

En este manual se explica de manera exacta la secuencia ordenada de actividades necesarias para la

AE, las cuales se presentan a continuacin en orma resumida:

Investigacin previa. En esta actividad se revisa el contexto del pas donde se desenvuelve la empre-sa de agua, sobre todo en materia de situacin de los recursos hidrulicos y energticos.

Fugas Trabajo til

Prdidasde carga

Prdidas enla bomba

Prdidasdel motor

Prdidaselctricas

Energa hidrulicadisponible en la red

Energa hidrulica suministradapor la bomba

Energa mecnica transferida a la bomba

Energa elctrica suministrada a la bomba

Energa elctrica suministrada por la compaa de electricidad

Sistema elctrico

Parte

delaene

rgas

epier

deen

elproc

eso

GRFICO i Diagrama simple del balance de energa

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xii Resumen ejecutivo

Actividades de campo. Aqu se incluyen la recoleccin de datos clave de los sistemas de bombeo yotros componentes (motores, bombas, conducciones, tanques y datos adicionales como las condicio-

nes de operacin, poblacin y topograa) y mediciones de campo, de acuerdo con las cuales se reco-

lectan los principales parmetros operativos, hidrulicos y energticos necesarios para los clculos de

eciencias, prdidas y ahorros potenciales. En el manual se proporcionan las herramientas a manerade ormatos para realizar la captacin de los datos y su procesamiento automtico.

Procesamiento y anlisis de la informacin. Aqu se incluyen las evaluaciones de eciencia, elclculo de las prdidas descritas para obtener los balances especcos para cada sistema, el clculo

de los indicadores energticos, el anlisis estadstico de los mismos, la elaboracin de los balances de

energa, y el anlisis de la operacin y las prcticas de mantenimiento.

Elaboracin de una propuesta de medidas de ahorro. Con el anlisis de la inormacin y la evalua-cin de los elementos de mayor consumo de energa se determinan las medidas de ahorro, entre las

cuales se destacan:

Ahorro en tarias de suministro.

Reduccin de prdidas en las instalaciones elctricas.

Mejoras de la eciencia en motores elctricos.

Mejoras de la eciencia en bombas.

Reduccin de prdidas mecnicas.

Reduccin de ugas de agua y prdidas de carga.

Mejoras en la operacin.

Mejoras en el mantenimiento.

Sustitucin del suministro de energa.

Cambio de tecnologa. Mejoramiento del alumbrado.

Se sugiere considerar medidas para implementar a mediano y largo plazo, entre ellas, las polticas de

propaganda hacia la comunidad orientadas a propiciar el ahorro en el consumo de agua, ya que esto

aecta directamente al consumo de energa y, por ello, se maniesta en una reduccin directa de las

prdidas.

Asimismo, se sugiere un plan de deteccin de prdidas en la red de distribucin de agua potable.

Evaluacin de las medidas. Como parte nal de esta metodologa se explica cmo evaluar las medi-das de ahorro, calculando para cada una de ellas los ahorros (directos e indirectos) que se alcanzarn,el monto total de las inversiones necesarias para su implantacin, los costos adicionales asociados

(operacin, mantenimiento y consumibles) y los indicadores nancieros (payback, valor presente neto,

anlisis del ciclo de vida del proyecto, etc.).

En el grco 2.1 (Metodologa para realizar una auditora energtica) del captulo 2 se podr observar

un diagrama que explica esta secuencia de actividades de la AE.

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DEFINICIONES

Las deniciones de trminos y expresiones que se exhiben a continuacin tienen por objeto propor-cionar una idea comn entre los usuarios del manual, de tal manera que todos manejen los mismosconceptos expuestos.

Aoro. Medicin del caudal o gasto.

Agua potable. Lquido incoloro, inspido e inodoro que se puede encontrar en estado natural o ser

producido a travs de un proceso de puricacin. Sirve para el consumo humano y animal.

Bomba. Mquina hidrulica que convierte la energa mecnica en energa de presin, transerida al

agua.

Crcamo. Es la estructura hidrulica complementaria del sistema hidrulico que sirve como almacena-miento provisional para bombear algn lquido de un nivel inerior a uno superior. Se emplea para el

agua potable, agua tratada, drenaje sanitario y drenaje pluvial.

Carga total de bombeo. La suma algebraica de la carga de presin en la descarga, ms el nivel de suc-

cin, ms el nivel al centro del manmetro, ms las prdidas de riccin y singulares en la conduccin,

ms la carga de velocidad.

Carga de velocidad. Es la energa cintica por unidad de peso del lquido en movimiento.

Coefciente de cortante. Es el coeciente de rozamiento del agua con las paredes de una tubera;

depende del material con que la tubera est construida o recubierta, del dimetro de la tubera y dela velocidad del agua; con este parmetro se calculan las prdidas de energa en una conduccin de

agua.

Corriente elctrica. Es la intensidad de corriente que pasa a travs de un conductor con resistencia R y

cuya tensin elctrica es V.

Factor de potencia. Es la relacin entre la potencia activa y la potencia aparente, y describe la relacin

entre la potencia convertida en trabajo til y real y la potencia total consumida.

Fuente de abastecimiento. Sitio del cual se toma el agua para suministro en el sistema de distribucin.

Fuga. Escape sico de agua en una red de tuberas de agua potable.

Gasto. Volumen de agua medido en una unidad de tiempo; se expresa generalmente en litros por

segundo.

Nivel a centros de manmetro. Es la distancia vertical entre el nivel de reerencia y la posicin del

manmetro usado para medir las cargas de presin tanto en la succin como en la descarga.

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Nivel de reerencia. Es el nivel seleccionado como reerencia para todas las mediciones hidrulicas,

normalmente el plano inerior de la placa base de montaje del equipo de bombeo.

Nivel de succin. Es la distancia vertical desde el nivel de reerencia hasta la supercie del agua cuan-

do se encuentra en operacin el equipo de bombeo.

Potencia activa. Es la potencia consumida por un motor elctrico que se convierte en trabajo til.

Potencia elctrica. Es la potencia de entrada en watts (o vatios) que requiere el motor elctrico aco-

plado a la bomba y en operacin normal.

Potencia aparente y reactiva. En un tringulo rectngulo se asocia la potencia aparente a la hipote-

nusa, a un cateto se le asocia la potencia activa, y al otro se le asocia la potencia reactiva. Al coseno

del ngulo existente entre la hipotenusa y el cateto adyacente, asociado a la potencia aparente y

potencia activa, respectivamente, se le denomina Coseno Fi (Cos ).

Tensin elctrica. Trabajo elctrico medido entre dos puntos de un circuito elctrico.

xiv Defniciones

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SIMBOLOGA

A lo largo del manual se utilizan los siguientes smbolos:

Aeco= Ahorro econmico anual que se obtendr con la implantacin de la medida de ahorro propuesta($/ao).Co = Capacidad requerida del capacitor.CUE = Costo unitario de la energa ($/kWh).Db

V= Desbalance de voltaje (V).

Dr-m = Distancia del nivel de reerencia al manmetro (m).

Ec = Energa elctrica consumida en el perodo de medicin.FP = Factor de potencia.g = Aceleracin de la gravedad (9,8 m/s2).H

b= Carga hidrulica de bombeo (m).

h= Prdidas de carga hidrulica por cortante (m).

hs= Prdidas de carga hidrulica por eecto del cortante ms las prdidas equivalentes por acceso-rios, en la tubera de succin (m).HP

nominal = Potencia nominal en el eje del motor (la real vericada en campo) (kW).

Ht = Carga total de bombeo (m).h

ta= Prdidas por cortante en la tubera actual (m).

htp = Prdidas por cortante en la tubera propuesta (m).h

v= Carga de velocidad (m).

Ia= Corriente elctrica en ase A (A).

Ib = Corriente elctrica en ase B (A).Ic

= Corriente elctrica en ase C (A).

I = Corriente que circula en el conductor (A).

Imae = Monto de la inversin necesaria para la aplicacin de la medida de ahorro propuesta ($).I

prom = Corriente elctrica promedio de las tres ases (A).

Lc= Longitud total del conductor (m).L

0= Distancia entre los dos puntos de medicin del voltaje (m).

Ns = Nivel dinmico de succin de la bomba.

nri = Perodo de recuperacin de la inversin (aos).P

a= Potencia activa medida (kW).

PCu= Prdidas en el ncleo a tensin nominal (kW).P

d= Carga de presin en la descarga (m).

Pe = Potencia elctrica demandada por el motor.

Pe = Potencia elctrica que demandar el motor propuesto (kW).Pebm

= Potencia elctrica que demanda el conjunto motor-bomba actualmente.

Pemb = Potencia elctrica esperada con el conjunto motor-bomba de mejor eciencia.Pet= Potencia elctrica que demanda el transormador actualmente.P

eQm= Potencia elctrica que demanda el conjunto motor-bomba actualmente con el caudal medio.

PeQm = Potencia elctrica esperada con el caudal medio.P

Fe= Prdidas en el cobre a tensin nominal (kW).

Ph = Potencia hidrulica de salida (kW).

Pj = Prdidas por eecto Joule (W).

xv Simbologa

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Pmb

= Potencia mecnica absorbida por la bomba (HP).

Pn = Potencia nominal del transormador en evaluacin (kVA).

pop = Presin ptima de operacin (m).P

r= Potencia reactiva medida (kVAr).

Prt = Potencia real considerando todas las cargas alimentadas por el transormador (kW).

Ps = Carga de presin de succin (m).P

tot = Prdidas totales (kW).

Q = Flujo volumtrico (m3/s).R = Resistencia del conductor expresada ().R

r = Resistencia del conductor propuesto (/m).

Ru= Resistencia real del conductor (/m).V = Tensin elctrica trisica (V).Van = Tensin de la ase A respecto a neutro (V).V

bn= Tensin de la ase B respecto a neutro (V).

Vcn = Tensin de la ase C respecto a neutro (V).

VA-B = Tensin entre las ases A y B (V).VB-C

= Tensin entre las ases B y C (V).VC-A = Tensin entre las ases C y A (V).Vprom= Tensin promedio entre ases (V).Ea = Energa anual que es viable ahorrar con la implementacin del variador (kWh/ao).E = Disminucin de energa elctrica consumida.P

et= Disminucin de la potencia elctrica esperada en el transormador.

Pe = Disminucin de potencia elctrica demandada.F = Disminucin de la acturacin elctrica.P

r = Disminucin de la presin para ese registro.

Vj= Cada de voltaje en un conductor elctrico. = Peso especco del agua (kg/m3).b = Eciencia de la bomba (%).

em= Eciencia electromecnica del conjunto motor-bomba (%).

sica= Eciencia sica (%).

m = Eciencia de operacin del motor (%).

m = Eciencia de operacin del motor propuesto (%).em = Eciencia esperada de la bomba (%).trans = Eciencia actual del transormador (%).

trans

= Eciencia esperada del transormador (%). = Densidad del agua bombeada (kg/m3).

A$ = Ahorro econmico anual que se obtendr con la implementacin del variador ($/ao).

Simbologa

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Captulo 1

INTRODUCCIN: UNA ETAPA CLAVE DEL PLAN INTEGRAL DE EFICIENCIAENERGTICA

La auditora energtica (AE) en un sistema de agua y saneamiento es una parte undamental y el puntode partida cuando se desea realizar un Plan Integral de Eciencia Energtica (PIEE).Realizar un PIEE en un sistema de agua y saneamiento implica el desarrollo de una secuencia ordenaday escalonada de etapas que lleven a determinar dnde y cunta energa se utiliza a lo largo del sistema,el grado de eciencia con la que es empleada esa energa, las medidas y los proyectos especcos quepermitan reducir su consumo y su costo, el costo-benecio o la rentabilidad de dichas acciones, el plande implementacin de las mismas, y los mtodos de evaluacin y monitoreo de los resultados.

Este proceso implica varios aspectos clave, entre los que cabe destacar:

El compromiso real de la empresa de agua y saneamiento. La evaluacin del desempeo en el consumo energtico, incluida su relacin con la operacin delsistema y el mantenimiento.

El diseo de un plan de accin, lo cual implica denir las metas, los tiempos, los responsables y losrecursos a utilizar.

La evaluacin y el monitoreo de los resultados, lo cual implica medir el progreso de la implementacindel plan y eectuar un seguimiento de los resultados o benecios reales que se logren al nal delproceso y en orma peridica.

En el grco 1.1 se presenta un esquema de las etapas necesarias para la realizacin de un PIEE.

GRFICO 1.1 Esquema de las etapas necesarias para la realizacin PIEE

Evaluacin delprogreso

Ahorros de energa

Auditora energtica

Fechas

Indicadores energticos

Responsables

Balance de energa

Actividades

Evaluacin econmica

Financiamiento

Anlisis estadstico

Ahorros/ao

Reduccin de loscostos de

operacin ymantenimiento

Hacer elcompromiso

Evaluar losbenecios

Evaluacin deldesempeo

Implementar elplan de accin

Crear un plande accin

Fijar las metasIncremento en la

productividadMejorar losindicadores

Qu estfuncionando?

Qu no?

Mejoras requeridas

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Como se puede observar, en la primera etapa del proceso, durante la evaluacin del desempeo, seencuentra la realizacin de la AE, que es el objetivo de este manual.

Esta actividad constituye una etapa clave dentro del proceso, toda vez que es la base para denir lospotenciales de ahorro de energa que pueden lograrse y las acciones especcas para ello.

En el caso de los sistemas de agua y saneamiento, los principales elementos para el suministro y la trans-ormacin energtica necesarios para la produccin, el suministro y el tratamiento del agua se muestranesquemticamente en el grco 1.2, en el cual se puede ver la cadena de equipos, que abarca desde elmedidor de consumo del suministrador de energa, el transormador, el centro de control del motor y suselementos correspondientes, hasta el motor elctrico, la bomba y la disposicin nal del agua potable yresidual.

En los siguientes captulos se describirn los mtodos y procedimientos necesarios para realizar lamencionada AE.

Suministro

Energaelctrica

Energamecnica

Energahidrulica

Fuente. Pozoprofundo o

fuentesuperficial

Sistema dedistribucin

Energamecnica

Transformador

Interruptor

Motorelctrico

Sistema debombeo

Disposicinfinal

de aguasresidualesPrdidas

GRFICO 1.2 Esquema de un sistema tpico de suministro y consumoenergtico en sistemas de agua potable y saneamiento

Evaluacin para sistemas de bombeo de agua: manual de eciencia energtica

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Captulo 2

METODOLOGA PARA UNA AUDITORA ENERGTICA

La auditora energtica (AE) en un sistema de agua y saneamiento es la aplicacin de un conjunto detcnicas para determinar cmo se administra la energa, as como tambin para comprobar la ecienciaen cada uno de los componentes consumidores en una instalacin de agua y saneamiento. Consiste enel anlisis crtico de todos los componentes en una instalacin consumidora de energa para determinardnde y cmo se utiliza la misma, adems de especicar cunta se desperdicia.

El objetivo nal es la identicacin de medidas tcnicas y administrativas rentables para el ahorro deenerga en dicha instalacin, como parte del desarrollo de un Plan Integral de Eciencia Energtica.

Para ejecutar la AE, se sugiere seguir una secuencia ordenada que lleve a mejores resultados. Dicha se-cuencia requiere realizar trabajos de campo y ocina. En el grco 2.1 se muestra un diagrama que indicade manera resumida las principales actividades necesarias para realizar una AE en una empresa de agua.

GRFICO 2.1 Metodologa para realizar una auditora energtica

INVESTIGACIN PREVIA

Contexto nacional y del sector energticoSituacin nacional del sector de agua y saneamiento

Situacin particular de la empresa de agua y saneamiento

AuditoraEnergtic

a

Ofcina

Campo

RECOLECCIN DE DATOS

-Facturacin elctrica-Diagramas del sistema

hidrulico-Datos de los equipos debombeo-Edad y frecuencia de man-tenimiento de los equipos.-Bitcoras de operacin

LEVANTAMIENTO DE DATOSEN SITIO

-Datos de placa-Observaciones del estado delequipo y las condiciones deoperacin-Elaborar diagramas elctricos-Observacin a losprocedimientos de operacin ymantenimiento

Anlisis de la informacin

-Eciencia de motores-Eciencia de bombas-Prdidas en conductoreselctricos-Costos de la energa-Indicadores energticos-Balance de energa-Procedimientos de operacin-Procedimientos de

mantenimientoIntegracin de proyectos

-Motores elctricos-Bombas-Sistemas de conduccinhidrulica-Procedimientos deoperacin

Anteproyectode inversin

Plan de accin

Identicacin de reas deOportunidad de Ahorro

Recomendaciones

-Prcticas de mantenimiento-Estructura organizacional

MEDICIONES EN CAMPO

-Parmetros elctricos-Parmetros hidrulicos

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Grosso modo, y siguiendo un orden de las actividades descritas en el grco 2.1, la metodologa consisteen realizar trabajos en dos etapas: una primera etapa con trabajos de campo y una segunda con trabajosde ocina, que para nes prcticos se denen a continuacin.

ACTIVIDADES DE CAMPO

Las actividades de campo a realizarse son las siguientes:

1. Investigacin previa. Tiene por objeto revisar el contexto general del ambiente de unaempresa de agua y saneamiento. Con la investigacin previa se determinan los sistemas yequipos que podran ser susceptibles para la aplicacin de la AE.

2. Recoleccin de datos. Despus de la investigacin previa, se debern recolectar los datosbsicos de los sistemas, los motores, las bombas, las conducciones, los tanques, los planoselctricos e hidrulicos, de las disciplinas relacionadas y datos adicionales como las condicionesde operacin, poblacin y topograa, necesarios para la realizacin de la AE.

3. Planifcacin de mediciones de campo. Con la inormacin obtenida en los puntosanteriores, se deber hacer un anlisis de la planta que permita identicar los procesos yasociados a ellos la relevancia del consumo de energa, y generar un ordenamientocuantitativo. Con estos datos se deber denir una estrategia para el trabajo de campo,poniendo nasis en las reas ms interesantes desde el punto de vista energtico.

4. Mediciones de campo. Se debe realizar una campaa de mediciones de campo de losparmetros elctricos e hidrulicos que permitirn realizar los clculos de prdidas y balanceenergtico de los equipos sujetos a la AE, y con esto determinar los elementos que tienen unpotencial de ahorro importante y generar las propuestas de medidas de ahorro

correspondientes. Las mediciones deben estar enocadas en el establecimiento de la lnea basede los procesos y de la planta en su conjunto.

ACTIVIDADES DE OFICINA

Las actividades de ocina a realizarse son las siguientes:

5. Anlisis de la inormacin y evaluacin de la efciencia. Una vez recolectada la inormacin produc-to de las actividades de campo, esta deber ser analizada. El anlisis propuesto en esta metodologa sereere a los clculos de prdidas y a la siguiente inormacin:

Clculo de prdidas elctricas en conductores y transormadores. Clculo de prdidas y eciencia del motor. Clculo de prdidas y eciencia de la bomba. Clculo de prdidas de carga en tuberas. Clculo de prdidas en la red. Clculo de indicadores energticos. Anlisis estadstico de los indicadores. Elaboracin de balances de energa.


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Anlisis de la operacin. Anlisis del mantenimiento.

Con esto se determinan los elementos con un alto ndice de prdidas o menor eciencia, a n de concen-trar en ellos las medidas de ahorro.

6. Propuesta de medidas de ahorro. Con el anlisis de la inormacin y la evaluacin de los elementosde mayor consumo de energa, se determinan las medidas de ahorro que para la metodologa compues-ta pueden incluir una o varias de las siguientes:

Ahorros en tarias de suministro. Reduccin de prdidas en las instalaciones elctricas. Mejora de la eciencia en motores elctricos. Mejora de la eciencia en bombas. Reduccin de prdidas mecnicas. Reduccin de ugas de agua y prdidas de carga. Mejoras en la operacin. Mejoras en el mantenimiento. Sustitucin del suministro de energa. Mejoramiento del alumbrado. Cambio de tecnologas. Aprovechamiento de energas residuales.

La importancia del balance de energa reside en que las medidas a tomar deben considerar la ecienciaoperacional del servicio, es decir: que este cumpla o siga cumpliendo con el estndar denido de la pres-tacin del servicio (caudal, continuidad del servicio y presin mnima).

7. Evaluacin de las medidas. Como parte nal de esta metodologa se deben evaluar las medidas deahorro, lo cual consiste en realizar lo siguiente:

Calcular los ahorros (directos e indirectos) que se alcanzarn con la medida. Calcular el monto total de las inversiones necesarias para la implantacin de la medida. Calcular los costos adicionales (operacin, mantenimiento y consumibles) asociados a la medida. Determinar los indicadores nancieros (pay-back, valor presente neto, anlisis del ciclo de vida delproyecto, etc.).

Siguiendo con esta metodologa en orma ordenada, en los prximos captulos se desarrollan las basestericas, los procedimientos y las actividades especcas que le permitirn a la empresa de agua y sanea-miento llevar a cabo la AE en los sistemas de bombeo.

Metodologa para una auditora energtica

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Captulo 3

INVESTIGACIN PREVIA

Con el n de obtener un conocimiento general de la situacin de la empresa de agua y saneamiento,antes de empezar a realizar una AE de los sistemas de bombeo es indispensable realizar una investiga-cin previa de la situacin actual de la empresa.

Durante la investigacin previa se analizarn los sistemas que grosso modo podran ser susceptibles deahorro o que tienen un potencial de ahorro energtico importante.

La investigacin previa consiste en recopilar toda la inormacin del contexto donde se desenvuelve laempresa de agua, en los aspectos que se detallan a continuacin.

CONTEXTO NACIONAL Y DEL SECTOR ENERGTICO

Se debe conocer el contexto nacional donde se encuentra posicionada la empresa de agua y saneamiento,de lo general a lo particular. Para conocer este entorno, se debe recopilar la siguiente inormacin:

Datos generales de la poblacin. Situacin energtica, uentes de energa, consumos de energa general y por sectores, etc. Estructura de las tarias de energa. Problemtica particular. Situacin de la madurez legal del uso eciente. Leyes con que se cuenta para presionar el uso eciente.

CONTEXTO NACIONAL DEL SECTOR AGUA

Es de suma importancia conocer la posicin actual y el contexto general a nivel nacional del sector agua,sus leyes, reglamentos, estadsticas generales, dentro de las cuales se desempea la empresa de agua aauditar. Para esto se requiere obtener la siguiente inormacin:

Tipos de compaas de agua (pblicas, privadas, etc.). Contexto jurdico del agua. Principales uentes de agua disponibles. Estadsticas nacionales de demanda de agua, cobertura de agua potable y alcantarillado, prospectiva, etc. Problemas para el suministro de agua en el pas. Caractersticas topogrcas, distancia de las uentes, etc. Otra inormacin de utilidad.

SITUACIN PARTICULAR DE LA EMPRESA DE AGUA Y SANEAMIENTO

Por ltimo, en esta investigacin inicial se requiere revisar en lo particular el tamao, la orma de opera-cin, la tecnologa que aplica, y los aspectos especcos del servicio de agua y saneamiento que realiza laempresa correspondiente. Para esto se debe obtener inormacin sobre los siguientes aspectos:

Inraestructura general: nmero y tipo de instalaciones. Impacto del consumo de energa de la empresa de agua y saneamiento sobre el consumo energticonacional.

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Instalaciones con mayor consumo de energa, y su impacto en los costos totales. Otros aspectos de inters con relacin al agua y a la energa, como por ejemplo el nivel de prdidas deagua (agua no contabilizada) y la identicacin de la estructura de gestin energtica.

Se reitera que la inormacin que conorma la investigacin previa es general y con ella se realizar una

mejor planicacin inicial de la auditoria energtica seleccionando los sistemas de bombeo prioritariospor su importancia en el consumo, aquellos que en principio se detecte que tienen un potencial de ahorroimportante, etc.

Una vez realizado el anlisis de toda la inormacin obtenida durante esta investigacin previa, se deberproceder a cumplir con los pasos siguientes de la auditora, como se ver, en orma ms detallada, en losprximos captulos.


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Captulo 4

RECOLECCIN DE DATOS

No se puede realizar un estudio o procedimiento de auditora sin la obtencin de los datos necesarios ola recopilacin de los mismos, por lo que a continuacin se describen los datos bsicos necesarios ascomo tambin la orma o las tcnicas ms usuales para obtenerlos.

La recoleccin de datos bsicos se realiza de dos maneras:a) Por medio de la recopilacin y el examen de la inormacin de la empresa de agua.b) Mediante la relevacin de datos en el sitio de anlisis.

En el cuadro 4.1 se dene la inormacin requerida que deber ser proporcionada por la empresa de aguapara la realizacin de la AE.

CUADRO 4.1 Inormacin a recopilar de la empresa de agua

rea Fuente deinformacinInformacin a

recopilar Observaciones

General

Padrn de usuarios Nmero de tomasdomiciliarias Clasicadas por tipo de uso, con y sin medidor.

Relacin y estudiosde factibilidad

Cobertura de lared del servicio En porcentaje de rea y de habitantes, y reas de crecimiento.

Poblacin y planos Poblacinhistrica De los ltimos tres censos y conteos nacionales.

Tcnica

Estadsticas deproduccin

Volmenessuministrados alsistema

Resumen mensual, mnimo un ao histrico, en metros cbicos.

Caudalesproducidos en lascaptaciones

Medios anuales, mximos diarios y mximos horarios, para poca deverano e invierno en climas extremos.

Caractersticas delos macromedi-

dores

Tipo, modelo, fecha de instalacin y calibracin, dimetro.

Archivos digitales ymapotecas

Planos de la redde agua potable

A escala real, georeferenciados, con dimetros, materiales, rugo-sidades y longitudes de tuberas, cotas tipogrcas en cruceros ytipos, ubicacin de pozos, bombeos y tanques, vlvulas.

Planos de perlesde conducciones

Con indicaciones de cambio de dimetro y material; ubicacin devlvulas de aire y desfogue.

Proyectos ejecuti-vos anteriores Se puede obtener datos adicionales de planos y mediciones.

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Energtica

Facturacin deenerga Datos generales

Nombres de compaas elctricas, tensin en volts, tarifa por equipode bombeo, historial mensual de facturacin en un ao (demandamxima, consumo kWh, factor de potencia) horario punta.

Planos, inventariode equipos y reco-rrido de campo

Infraestructuraelectromecnica

Diagrama unilar (calibre, protecciones, transformadores, motores,capacitores y generadores), acometida (tipo, elemento desconecta-dor, apartarrayos, fusibles), subestacin elctrica (tipo, cantidad detransformadores, sistema de tierras), transformadores (identi-cacin, tipo, capacidad nominal kVA, relacin de transformacin,antigedad), capacitores (ubicacin, capacidad kVAr, tipo de banco,elemento desconectador, estado), equipos de medicin.

Sistema electro-motriz

Arrancador (tipo, capacidad en amperios), conductores elctricos(cantidad de hilos, longitud, calibre, material, tipo de aislamiento),motor elctrico (marca, tipo, capacidad en HP, tensin de suministroen volts, corriente nominal, nmero de polos, velocidad a plenacarga, factor de servicio, eciencia nominal, antigedad, cantidad derebobinados, temperatura en grados centgrados).

Sistema hidruli-co del equipo debombeo

Bombas (identicacin, marca, tipo, modelo, material de carcasa,material del impulsor, caudal de diseo, carga de diseo, ecienciade diseo), succin (nivel dinmico en acufero y crcamo), carac-tersticas del tren de descarga, historial de niveles dinmicos en unao.

Institucio-

nal

Informes ejecutivos

ndices de gestin Indicadores de eciencia fsica, hidrulica y energtica, tipos, evolu-cin histrica en un ao, impactos, benecios y costos.

Planes maestros yde factibilidad

Programas proyectados, inversiones a corto y largo plazo, proyectosde eciencia en desarrollo, metas anualizadas.

Organigrama de lainstitucin Descripcin de funciones, personal e interrelacin con otras reas.

Programasinterinstitucionales Programas de instituciones locales y estatales.

Es conveniente que la inormacin se encuentre actualizada en la medida de lo posible y de preerencia enormato digital.

Se recomienda vericar su grado de conabilidad y eectuar recorridos de campo para cotejarla y rati-carla. Tambin es conveniente recurrir a otras bases de datos alternas, tales como Internet o el sistema

satelital Google Earth, entre otras. Finalmente, es necesario investigar otras uentes de inormacin enocinas ederales, estatales y municipales.

En el caso de que no se obtengan todos los datos necesarios de los equipos de bombeo por parte de la em-presa de agua, debern ser levantados en el campo, para cada uno de los equipos que se analizarn en laauditora. En el apndice del presente documento se encuentran los ormatos y el procedimiento detalladopara realizar esta actividad.

A continuacin, se detallan los datos undamentales que debern ser obtenidos o corroborados en elcampo.


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DATOS DEL SISTEMA ELCTRICO

Se deben recopilar los siguientes datos del sistema elctrico:

Diagrama uniflar. Es sumamente importante esquematizar el diagrama unilar de las conexiones del

equipo, la acometida, el cableado, el transormador, el interruptor principal, si tiene arrancador o no.

Suministro elctrico. Se reere al prestador del servicio elctrico y los datos correspondientes al contratocon esta compaa. Hay que tener especial cuidado en obtener lo siguiente:

Suministrador.Nombre de la empresa que presta el servicio elctrico.

Nmero de servicio. El nmero de contrato del recibo o actura elctrica para este equipo.

Tarifa contratada. La clave o nombre del esquema tariario en el que se encuentra dichocontrato. Se deber indicar si la medicin se realiza en baja o media tensin.

Transormador. Recabar los datos ms importantes de las caractersticas del transormador, a saber:

Tipo.El tipo de transormador que alimenta el equipo, o en caso de que la acometida sea a bajatensin, describir los elementos que la alimentan.

Capacidad. La capacidad del transormador o de los transormadores, si el suministro se eectapor medio de ms de un transormador; hay que poner la capacidad de kVA de cada uno de ellos.

Relacin de transformacin. Se debe registrar el voltaje de entrada y salida del transormador ola relacin de voltaje de transormacin en volts separados por una diagonal. En caso de que eltransormador tenga ms de un voltaje de salida, se deber registrar el voltaje real con el queunciona actualmente.

Interruptor principal. Los datos del interruptor principal del equipo, es decir, el interruptor al que llega laenerga proveniente del transormador o la alimentacin principal del equipo.

Marca. La marca del interruptor o su abricante.

Capacidad. La capacidad nominal del interruptor en amperios (A).

Ajuste. Si el interruptor es de tipo ajustable, se debe registrar la capacidad nominal a la que estajustado en amperios (A).

Arrancador. Si el equipo de bombeo cuenta con un arrancador, debe recopilarse la siguiente inormacin:

Tipo. Tipo de arrancador. En caso de que sea un dispositivo electrnico, habr que indicar lamarca y el modelo, y los elementos complementarios.

Capacidad. Capacidad del arrancador (HP).

Proteccin. Se trata de los datos de la proteccin de sobrecarga del motor que se encuentra en el arrancador.

Recoleccin de datos

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Marca. Fabricante o marca del elemento trmico de proteccin del motor.

Capacidad.Registrar el rango de calibracin del elemento trmico en amperios (A).

Ajuste. El punto en que se encuentra calibrado el elemento trmico.

Capacitores. Si el equipo cuenta con un banco de capacitores, anotar la capacidad total del banco enkVAr. Se debe identicar el tipo de capacitores y si es propio del equipo o grupo de equipos.

Sistema de tierras. Se debern analizar y registrar las condiciones del sistema de tierras, es decir: siexiste o no el sistema de tierra sica, si est separado del neutro, si el transormador, arrancador y motorestn conectados a dicho sistema, y registrar el calibre del cable con el que se encuentra puesto a tierra elelemento descrito.

Conductores. Los datos necesarios se reeren al calibre y a la longitud de los conductores en dos tramos.El primero es el que va desde el punto de alimentacin del servicio ya sea un transormador o una aco-metida de entrada hasta el arrancador o interruptor del motor. El segundo tramo para el que se piden losdatos de los conductores es el que va desde el arrancador o interruptor del motor hasta el motor. En amboscasos se debe recopilar lo siguiente:

Calibre.Es el calibre del conductor (mm2) o (AWG); este puede obtenerse en el orro delconductor.

Longitud.La longitud total de los conductores en el tramo descrito.

Agrupamiento. Es la descripcin de cmo van agrupados dichos conductores y el medio decanalizacin utilizado. En particular, indicar cuntos conductores monopolares activos van enel ducto, si los ductos van enterrados o a la vista, y en caso de que vayan enterrados, vericarcuntos ductos de otros equipos acompaan al ducto del equipo en cuestin.

DATOS NOMINALES DEL MOTOR

Se deber obtener la inormacin de los datos nominales del motor que se deben leer directamente en lasplacas de los mismos y de la bitcora de mantenimiento del equipo en estudio. De esta orma se habrn derecabar los siguientes datos:

Datos de placa nominales. Esta inormacin se encuentra descrita en la placa del motor, o en su deecto,si la placa es ilegible, se deber buscar la orden de compra o el documento donde se describan las caracte-rsticas del motor del equipo en estudio.

Marca. Marca o abricante del motor.

Capacidad. La capacidad nominal del motor (HP).

Velocidad.Velocidad de giro del motor (RPM).

Tensin.La tensin nominal del motor en volts (V).


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Corriente.La corriente nominal del motor (A).

Eciencia.La eciencia nominal especicada por el abricante (-).

Tipo.Tipo de motor.

Carcasa.Es el tipo de armazn o nmero de armazn que tiene el motor.

F.S.Es el actor de servicio que tambin se lee en la placa; cuando no se indica en la placa,el F.S. deber tener el valor de 1, y seala el porcentaje de sobrecarga de trabajo del motor;un actor mayor que 1 indica que el motor aguanta dicha sobrecarga.

Sistema de control. Es el que activa la operacin del motor, esto es: si el motor acta porniveles discretos o continuos. Se deber indicar a qu proceso pertenece.

Historial. Es el historial de mantenimiento del motor; los datos que interesan a los nes de la auditoraenergtica para el equipo son los siguientes:

Antigedad. La edad o el tiempo que ha trabajado el motor desde su primera instalacin enaos.

Operacin.Las horas en promedio de trabajo del motor en un ao (hrs/ao)

Cantidad de rebobinados. El nmero de rebobinados que se han realizado al motor en la vidade servicio.

DATOS NOMINALES DE LA BOMBA

En este apartado se debern describir los datos nominales o de diseo de la bomba, para lo cual ser nece-sario, en caso de que no se tengan los datos en campo o que sea ilegible su placa, contar con los documen-tos del equipo al momento de la compra. Los datos requeridos son los siguientes:

Cuerpo. Datos reerentes al cuerpo de la bomba, entre ellos:

Marca. Marca o abricante de la bomba.

Tipo.Tipo de bomba: sumergible, turbina vertical, horizontal, centruga, etc.

Modelo. El modelo de bomba de acuerdo con el abricante.

Antigedad. La edad o el tiempo que el equipo ha estado en operacin, desde su instalacin,en aos.

Impulsor. Los datos correspondientes al impulsor de la bomba y que deben obtenerse son:

Tipo.El tipo de impulsor de la bomba.

Material.El material con el que est abricado el impulsor.

Recoleccin de datos

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Dimetro.El dimetro nominal del impulsor (m).

Antigedad.La edad del impulsor o el tiempo que el impulsor ha estado en operacin (aos)Cabe sealar que el impulsor podra tener una antigedad dierente de la de la bomba, si esteelemento ha sido cambiado durante la vida de la bomba.

Flecha. Los datos de la fecha de transmisin entre el motor y la bomba incluyen:

Dimetro. El dimetro de la fecha (pulgadas).

Longitud.La longitud de la fecha (m).

Datos de diseo. Son las caractersticas hidrulicas de diseo del equipo de bombeo, y que de acuerdocon el modelo del abricante se describen en el punto de operacin ptima de la bomba de la curva carac-terstica, con los siguientes datos:

Carga.La carga de diseo en metros de columna de agua (mca).

Gasto. El gasto de diseo en litros por segundo (l/s).

Caractersticas del uido. Se reere a las caractersticas principales del fuido a bombear, las que depen-dern si se trata de agua potable o agua tratada. Los datos que se debern obtener son los siguientes:

Fluido.Descripcin del fuido: agua potable, agua tratada u otro.

Temperatura.Temperatura de trabajo o temperatura media a la que se encuentra el fuido engrados centgrados (C).

Peso especco.El peso especco del fuido a bombear (kg/m3).

Observaciones.Describir cualquier condicin particular del fuido que se est bombeando.

La obtencin de estos datos es de suma importancia para realizar el anlisis y el balance de energa delos equipos en estudio. La recopilacin de estos datos en campo debe realizarse al mismo tiempo que lasmediciones de campo, que se describen en el captulo siguiente.

En la primera seccin del apndice, se muestra el ormato donde debern ser vaciados estos datos.


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Captulo 5

MEDICIONES DE CAMPO

Una vez obtenidos los datos bsicos, y con la inormacin proporcionada, se debe planear y ejecutaruna campaa de medicin de parmetros elctricos e hidrulicos para realizar la auditora de la insta-lacin electromecnica en los sistemas de bombeo.

Con base en el resultado de esas mediciones se determina:

La eciencia electromecnica del conjunto motor-bomba y de ambos elementos en orma separada. Las curvas de comportamiento carga-gasto-eciencia del equipo de bombeo.

La campaa de medicin est dividida en actividades hidrulicas y en trabajos electromecnicos en equi-pos de bombeo, como se muestra en el cuadro 5.1.

CUADRO 5.1 Descripcin de la campaa de medicin

Campaa deMedicin Actividad Objetivo

Equipo yherramientas

Electromecnica enequipos de bombeo

Medicin de prametroselctricos

Determinar potencia de opera-cin y calcular eciencia

Analizador de potencias de redes elc-tricas o equipos de medicin (voltmetro,ampermetro, etc.)

Medicin de caudal de descar-ga en bombas

Determinar el caudal de opera-cin del equipo

Medidor de gasto ultrasnico o electro-magntico

Medicin de presiones en

descarga

Obtener carga de operacin del

equipo

Manmetro porttil tipo Bourdon

Denicin de niveles dereferencia en bombeos

Obtener carga de operacin yprdidas de carga hidrulica Sonda elctrica, cinta mtrica, etc.

Para que las mediciones sean lo ms reales posible y, por ende, los valores de eciencia sean veraces, sedebe procurar:

Que los equipos de medicin se encuentren calibrados y en buenas condiciones de operacin. Que el sistema a medir se encuentre en estado estable sin perturbaciones que motiven una medicinalsa.

Enseguida se detallan algunas recomendaciones importantes para eectuar las mediciones, obtener me-jores resultados en el registro de datos, y evitar costos y tiempos excesivos. En el apndice de la presentepublicacin se encuentran los ormatos y el procedimiento detallado para realizar esta tarea.

MEDICIN DE PARMETROS ELCTRICOS

Todas las mediciones deben ser realizadas durante operacin normal y solo por personal tcnico capacita-do que debe seguir los procedimientos internos de seguridad y las condiciones y prcticas descritas abajopara prevenir accidentes.

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Condiciones Evaluar el entorno antes de tomar la medicin. No trabajar solo en reas peligrosas. Usar equipo de proteccin individual adecuado segn por las recomendaciones locales de salud y seguri-

dad. Asegurar que el instrumento de prueba este clasicado para el medio ambiente de medicin. Conocer y saber utilizar el equipo antes de cualquier medicin.

Prcticas Medir en el punto de tensin ms bajo. Por ejemplo, midiendo la tensin en un panel de interruptores,identicar el interruptor de menor voltaje posible, para realizar la medicin. Mantener la mirada en el rea de medicin y mantener las manos libres si las circunstancias lo permiten. Para una sola ase, conectar neutro primero y ase segundo. Despus de tomar lectura, desconectar aseprimero y neutro segundo. En las pruebas de tensin, utilizar el mtodo de tres puntos de prueba.

1. Realizar una prueba en un circuito similar y conocido.2. Realizar la medicin en circuito a medir.3. Volver a realizar una prueba en el primer circuito.

Este proceso verica que el instrumento de prueba est uncionando correctamente. Al realizar mediciones en alta tensin de tres ases, usar sondas de prueba con una mnima cantidad dela punta de metal expuesta de 0,12 (4 mm). Esto reduce el riesgo de un arco elctrico accidental entre laspuntas de prueba. Reducir la posibilidad de cortocircuito con las manos, haciendo la medicin con una sola mano de serposible. Al hacer las mediciones no tocar ninguna estructura conectada a tierra al mismo tiempo.

Los parmetros elctricos a medir son:a) Tensin elctrica (voltaje).b) Corriente elctrica (A).c) Factor de potencia (%).d) Potencia real o activa (kW).e) Potencia reactiva (kVar).

En estos casos, resulta indispensable la utilizacin del equipo de medicin adecuado (voltmetro, ampe-rmetro, vatmetro, multmetro, etc.). Se deber hacer una descripcin de los equipos a emplear antes dedescribir cmo se realiza la medicin.

Para simplicar el proceso de medicin, se recomienda utilizar un analizador de redes elctricas que,adems de permitir la medicin de parmetros por ases, integra dichas mediciones para obtener directa-mente los valores trisicos, almacena en memoria inormacin para obtener tendencias y, en la mayorade los casos, mide otros parmetros elctricos (que son importantes para evaluar la calidad de la energautilizada en el equipo, como la distorsin armnica, entre otros).

Medicin de la tensin elctrica (voltaje)Para realizar la medicin de la tensin elctrica en equipos de bombeo, es necesario utilizar un voltmetro,teniendo como reerencia el grco 5.1, y proceder de la orma siguiente:


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1. Realizar la medicin en los cables de tensin elctrica que salen del contactor hacia el motor de la bomba.2. Colocar el cable rojo del voltmetro sobre la punta de salida del contactor en la lnea a.3. Colocar el cable negro del voltmetro sobre la punta de tierra n.4. Registrar la lectura de tensin (Van), correspondiente a la ase a.5. Repetir la accin colocando el cable rojo del voltmetro en la punta de salida b y c del contactor (con

el negro a tierra), y tomar lecturas respectivas de tensin (Vbn) en ase b y tensin (Vcn) en ase c.6. En el caso de la medicin de tensin elctrica entre ases, se debe repetir el procedimiento anteriorcolocando a la salida del contactor el cable rojo del voltmetro en la punta a y el cable negro en la puntab; despus entre a y c; por ltimo entre b y c.7. Con el promedio de estos tres valores se calcula el valor de la tensin elctrica trisica (V). Se reco-mienda realizar tres lecturas en cada cable para corroborar los datos. Es razonable denir porcentajes devalores de variaciones mximas y mnimas aceptables.

Nota: el grco solo se aplica a partida directa, por lo que deber ajustarse a cada situacin, considerando mediciones con unpartidor estrella tringulo, partidor suave o variador.

Medicin de la corriente elctricaLa medicin de la corriente elctrica se eecta con un ampermetro. El procedimiento de medicin seeecta de la manera siguiente (vase el grco 5.2):

a) Cuando se utiliza un ampermetro monosico, las lecturas de corriente elctrica se realizan una poruna, colocndolo en cada uno de los tres cables que salen del contactor y que alimentan el motor. Laslecturas, registradas en cada cable, sern a las corrientes de las ases Ia, Ib, Ic, respectivamente. Con estostres valores se calcula (Ipt) y la corriente elctrica trisica total (Itt).b) En caso de utilizar un analizador de redes, no ser necesario realizar las lecturas de corriente elctricaen orma individual, sino que habr que colocar los tres ampermetros simultneamente en cada uno delos cables que salen del contactor y alimentan el motor. As, la lectura de la corriente elctrica de cadacable se obtiene directamente en la pantalla del analizador.

GRFICO 5.1 Medicin de la tensin (voltaje) en equipos de bombeo

Tierra

a

Salida del motor

Contactor

Alimentacin

b c

a b c

n

BOMBA

M

Mediciones de campo

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Nota: el grco solo se aplica a partida directa, por lo que deber ajustarse a cada situacin particular, considerando medicio-

nes con un partidor estrella tringulo, partidor suave o variador.

Medicin del actor de potencia y clculo de la potencia elctricaLa medicin del actor de potencia (FP) se puede realizar de la misma manera que la medicin de co-rriente o la de tensin, usando adems una resistencia similar a la que tienen las parrillas elctricas. Estemtodo es muy prctico porque en ocasiones no se tiene un vatmetro a mano. De esta orma, el valor delFP se obtiene utilizando solo el ampermetro o el voltmetro y aplicando las rmulas matemticas de leyde los senos y cosenos.

Potencia real o activaPara medir la potencia real se utiliza un vatmetro, el cual se coloca a la salida del contactor en los cables

que van hacia el motor. El procedimiento para realizar la medicin del valor de la potencia real o activa esel siguiente:

1) Se colocan las terminales de voltaje del vatmetro sobre el cable de la ase a.2) Enseguida se coloca la otra terminal de voltaje del vatmetro en el cable neutro n.3) Se inserta el gancho del ampermetro en el cable de la ase a.4) Se registra la lectura de la potencia real o activa directamente en el vatmetro.5) Se repite el proceso anterior para obtener la potencia real en las ases b y c.

Si el equipo de bombeo tiene instalado un banco de capacitores, se sugiere hacer dos mediciones (vanselos grcos 5.3 y 5.4):

a) La primera de ellas se debe realizar corriente abajo del punto de conexin del banco de capacitores, enlos conductores que van directamente a la bomba sumergible o al motor en bombas verticales de fecha,con el objeto de que las mediciones no se vean infuenciadas por el eecto de compensacin de los capaci-tores y refejen la situacin real del motor elctrico en evaluacin.b) La segunda medicin debe realizarse corriente arriba del capacitor. Esta medicin describir el eectode la compensacin del actor de potencia sobre la red elctrica.

GRFICO 5.2 Medicin de corriente elctrica en equipos de bombeo

Tierra

a

Punto de medicin de corriente

Contactor

Alimentacin

b c

BOMBA

M


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Nota: los grcos 5.3 y 5.4 solo se aplican a partida directa, por lo que debern ajustarse a cada situacin particular, conside-rando mediciones con un partidor estrella tringulo, partidor suave o variador.

MEDICIN DE PARMETROS HIDRULICOS

Como en el caso de la medicin de parmetros elctricos, para la medicin de los parmetros hidrulicosse deber contar con los equipos de medicin calibrados y en buenas condiciones de uso. Asimismo,cuando se eectan las mediciones, el sistema no debe tener perturbaciones. En el caso de instalacionesunitarias, como pozos o equipo de bombeo, las mediciones se hacen directamente en el tren de descarga.

Para las instalaciones que integran a varios equipos de bombeo, se deben realizar las mediciones de losparmetros hidrulicos individualmente sobre su tubera de descarga.

La curva de uncionamiento gasto rente a carga hidrulica total de bombeo (Q-Hb) se construye con medi-

ciones de estos dos parmetros, modicando en cada lectura de datos las condiciones de operacin.

Los parmetros hidrulicos y los datos de reerencia que se deben obtener son los siguientes:

GRFICO 5.3 Medicin de la potencia real despes de los capacitores

a

Contactor

Banco de capacitores

Puntos de medicin

b c

BOMBAM

GRFICO 5.4 Medicin de la potencia real antes de los capacitores

a

n

Contactor

Banco de capacitoresPuntos de medicin

Instalacin comn de capacitores

b c

BOMBA

M

Mediciones de campo

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a) Medicin del caudal a la descarga en la bomba (Q).b) Medicin de la carga de presin de operacin, en la succin (P

s) y descarga (P

d).

c) Denicin del nivel de reerencia (Nr).

d) Medicin del nivel dinmico de succin (Ns).

e) Medicin de niveles a centros de manmetros (Dr-m

), tanto en la succin como en la descarga segn el

caso explicado ms adelante.

Medicin del caudal a la descarga de la bombaLa medicin de caudales se realiza en cada una de las captaciones productoras de agua para la red, talescomo pozos, manantiales, presas, galeras ltrantes, etc. Esta debe eectuarse exactamente en la tuberadonde ingresa el agua a la red de distribucin. Asimismo, en los casos de potabilizadoras, tanques o bom-beos, interesa medir el caudal justo a la salida de estas estructuras.

Se recomienda aprovechar los macromedidores instalados en el sistema de agua potable, siempre y cuan-do se obtengan previamente los errores de exactitud de estos equipos.

Cuando no existe macromedidor en la captacin, se recomienda utilizar un medidor porttil del tipo ultra-snico o electromagntico, por la alta exactitud que orecen y la versatilidad en su uso. Este medidor debeestar certicado por un laboratorio de pruebas acreditado.

La posicin del medidor en la tubera de prueba debe ser en tramos rectos y preerentemente horizontales,asegurndose de que antes y despus del medidor no existan obstculos, tales como codos, vlvulas, re-ducciones, ampliaciones, bombas, etc., que distorsionen el perl de velocidades del agua en la seccin deprueba. Normalmente se debe dejar una distancia equivalente a 10 dimetros aguas arriba y 5 dimetrosaguas abajo del eje del medidor (vase el grco 5.5). Sin embargo, actualmente hay en el mercado medi-dores que pueden reducir estas distancias, las cuales se pueden consultar en los respectivos catlogos delabricante.

Se podr instalar el medidor en un conducto inclinado o vertical siempre y cuando lo permita el abricanteen sus limitaciones de exactitud y cuando se asegure que la tubera de pruebas est completamente llenaen toda su seccin. Tambin, para garantizar la medicin adecuada, deber evitarse colocar el medidor en

aquellos tramos donde existan burbujas de aire o slidos en suspensin.

La medicin de caudal suministrado se eecta en un perodo corto, del orden de 15 a 30 minutos. Si nose detectan variaciones de caudal de +/- 5%, se considerar el valor registrado como el valor de gastomedio suministrado a la red por esta captacin. En caso de que la fuctuacin de caudal sea mayor a esteporcentaje, se debern practicar pruebas continuas al menos durante 24 horas, con el n de obtener unvalor promedio de suministro de agua en ese punto.

GRFICO 5.5 Posicin del medidor de caudal

Sensor

L 10D>=

L 5D>=

Mayora10D


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En el caso de instalaciones electromecnicas con una batera de varios equipos, como por ejemplo losbombeos, la medicin de caudal debe hacerse por equipo individual, cuidando que se encuentre en la con-dicin de operacin ms usual, con el n de evaluar la situacin energtica en las condiciones comunes deoperacin.

Medicin de las cargas de presin de succin y descargaPara realizar las mediciones de las cargas de presin de succin (Ps) y descarga (Pd), se recomienda el usode manmetros tipo Bourdon, de preerencia los que contienen glicerina, asegurndose de su buena cali-bracin, y de que se use en el tercio medio de su escala, puesto que es donde tiene una ptima exactitud.La manera de eectuar la medicin se muestra en la otograa 5.1 .

FOTOGRAFA 5.1 Medicin de presin con manmetro tipo Bourdon calibrado

Para eectos prcticos, en los clculos se recomienda expresar la presin en carga piezomtrica, es decir,en metros columna de agua (mca), aunque los manmetros suelan tener escalas de kg/cm 2 o lb/pulgada2.Las equivalencias de estas unidades son las siguientes:

1 kg/cm2 = 10 mca 1 lb/pulgada2 = 0,7031 mca

Las mediciones de presin de succin y descarga debern hacerse lo ms cerca posible de la bomba. Encaso de que no se pueda hacer la medicin en la succin, por tratarse de una bomba vertical, o porqueno haya puerto de medicin disponible, se debe indicar en los ormatos de registro de mediciones que noaplica la medicin de succin. Es indispensable realizar la medicin de la presin en la descarga.

Defnicin del nivel de reerenciaPara el clculo de la carga hidrulica total de bombeo es conveniente denir un nivel de reerencia a partirdel cual se medirn los otros niveles. Normalmente el nivel de reerencia se ubica sobre la placa base demontaje del motor, como se observa esquemticamente en los grcos 5.6 y 5.7.

Mediciones de campo

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GRFICO 5.6Medicin de niveles en caso de tener nicamente manmetroen la descarga

Dr-m

Pd

Ns

Nr

Nivel de agua

GRFICO 5.7 Medicinde niveles en caso de contar con manmetros en succin y descargas.

Pd

Ps

Dr-msDr-md

Nr

En el caso de equipos de bombeo sumergibles, el nivel de reerencia es normalmente el nivel de piso,como se observa en el grco 5.8.

GRFICO 5.8 Medicin de niveles en equipos sumergibles

C

A

D Nr

B


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Si durante la medicin en un crcamo o tanque, el nivel del agua cambia de posicin signicativamente,entonces la medicin del nivel de succin debe hacerse de manera simultnea con las mediciones de cau-dal, presin y parmetros elctricos. El valor podr ser negativo o positivo, lo cual depende de si el nivel seencuentra por debajo o por encima del nivel de reerencia.

Medicin del nivel dinmico de succinEl nivel de succin (N

s) es la distancia vertical entre el nivel de reerencia y el espejo de agua de donde se

est bombeando el agua, en condiciones de operacin normal y estable. La medicin puede realizarse conuna sonda de nivel o con un fexmetro, de acuerdo con las condiciones del lugar.

En el caso de un crcamo de bombeo, el nivel dinmico de succin ser el nivel de la supercie libre delagua dentro del crcamo. Y en el caso de un pozo, el nivel de succin corresponder a su nivel dinmico enel acuero. En las imgenes de la otograa 5.2 se muestra la medicin de nivel dinmico con una sondaelctrica.

FOTOGRAFA 5.2 Medicin del nivel dinmico de succin en crcamos de bombeo

FOTOGRAFA 5.3 Medicin del nivel dinmico en crcamos de bombeo

Mediciones de campo

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Medicin de niveles a centros de manmetrosEn los grcos 5.6 y 5.7 presentados anteriormente se observa la manera de ubicar los niveles a centros demanmetros. Si solo se mide la carga de presin a la descarga, este nivel ser designado como D

r-m. Para el

caso de que se midan las cargas de presin tanto a la succin como a la descarga, el nivel del manmetrode descarga ser designado como D

r-md, y para el caso del manmetro de succin, como D

r-ms.

Determinacin de la carga hidrulica de bombeoLas mediciones de presin y niveles descritos en los apartados anteriores se utilizan para calcular la cargahidrulica total de bombeo (H

b), la cual est constituida por la suma de varios valores medidos, que de-

pendern del tipo de bomba y del arreglo que se tenga. En el cuadro 5.2 se describen el proceso de clculoy los parmetros a considerar en la determinacin de la carga hidrulica total de bombeo de acuerdo conel tipo de equipo y la aplicacin en turno.

FORMATO DE REGISTRO DE DATOS EN CAMPO

Es importante el uso de ormatos de campo organizados para registrar tanto las caractersticas del sistemaelectromecnico de los equipos de bombeo como sus valores nominales y los datos obtenidos en las cam-paas de medicin de los mismos. En el cuadro 5.3 se muestra un ejemplo del ormato sugerido para el

registro de las caractersticas del sistema electromecnico y los datos nominales tanto de la bomba comodel motor. En el cuadro 5.4 se presenta un ormato que puede utilizarse en las mediciones de variableshidrulicas y elctricas de los equipos de bombeo.

CUADRO 5.2Proceso de clculo para la carga hidrulica de bombeo (Hb) y parmetros a medir

Caso Frmula Parmetros a medir o calcular

Cuando solo semide la presin a ladescarga

Hb=p

d+N

s+D

r-m+ h

fs+h

v

Hb= Carga hidrulica de bombeo (m)

Pd= Carga de presin en la descarga (mca)

Ns= Nivel dinmico de succin (m)

Dr-m

= Distancia del nivel de referencia al manmetro (m)h

fs= Prdidas de carga hidrulica por efecto del cortante en la tubera

de succin, ms accesorios (m)h

v= Carga de velocidad (n)

Cuando solo se midenla presin a la succiny la descarga

Hb=p

d-p

d+D

r-ms+D

r-md

Pd= Carga de presin en la descarga (mca)

Ps=Carga de presin de succin (m)

Dr-ms

= Distancia del nivel de referencia al manmetro de succinD

r-md=Distancia del nivel de referencia al manmetro en la descarga

(m)


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CUADRO 5.3Formato para el registro de datos nominales y caractersticas del sistemaelectromecnico

DIAGNSTICO ENERGTICO A EQUIPOS DE BOMBEO

SISTEMA ELCTRICO

MOTOR ELCTRICO

EQUIPO DE BOMBEO

CARACTERSTICAS DEL FLUIDO A BOMBEAR:

Lugar: Durango, Dur.

Fecha: 11 de Febrero de 2008

Organismo: AGUAS DEL MUNICIPIO DE DURANGO

Sistema: Azcapotzailco Equipo: Pozo No 59

DATOS DE DISEO: Carga: 108 m.c.a Gasto: 60 lps

OBSERVACIONES:

SUMINISTRO ELCTRICO:Suministrador: CFENo. de Servicio:Tarifa contratadaTRANSFORMADOR:Tipo: OA CostaCapacidad: 150 kVARef. de transf.: 13.2/440/254 V.

ARRANCADOR:Tipo: ATP111-2Capacidad: 150 HPCONDUCTOR ELCTRICO:Calibre: 3/0 AWG 1HXF-3FLongitud: 3,5 m.CAPACITORES:Capacidades: 20 kVArOBSERVACIONES:

DATOS DE PLACA O NOMINALES:

Marca:US

Tensin:460 V

Tipo:RU

Capacidad: 150 HP Corriente: 163 A Frame:Velocidad: 1775 RPM Eciencia: 92,4% F.S: 1.15

CUERPO: IMPULSORMarca: S/M Tipo: SemiabiertoTipo: T.Vertical Material: BronceModelo: 12-6 Dimetro: mAntigedad: 12 aos Antigedad: 12 aos

Fluido: Agua potable Temp: 24 Viscosidad 0,85 CentipoiseObservaciones:

150 KVA

315 A

ATP111-2

150 HPP-59

HISTORIAL:Antigedad: 12 aos Operacin: 8760 hrs/ao # de rebobinados: 4OBSERVACIONES: Motor sobre supercie

UNIFILAR

Mediciones de campo

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Nivel de aguaA

D

C

B

MEDICIONES HIDRULICAS

MEDICIONES ELCTRICAS

RESPONSABLE

NIVELES:Nivel del depsito de succin (A): 92 m Longitud de la tuberas en succin (B): 128 mLongitud de la tubera en descarga (C): 4 m Altura del manmetro de descarga (D): 0,4 m

TENSIN ENTRE FASESVab: 251 Vbc: 256 Vca 251

CORRIENTE POR FASE la: 108 lb: 126 lc: 115POTENCIA ACTIVA

Pa: 25 Pb: 30 Pc: 27FACTOR DE POTENCIA

FPa: 0,92 FPb: 0,94 FPc: 1Incluye el efecto del banco de capaciones? (S o NO) no

Levantamiento de datos: Moiss Romero GonzlezMediciones: Carlos Morales Zamora, Moiss Romero GonzlezSupervisin y anlisis Ing. Ramn Rosas Moya/Ing. Arturo Pedraza

LNEA DE SUCCIN:Dimetro 0,203 m Material: AC. C40 Lectura de manmetro: kg/cm2LNEA DE DESCARGA:Dimetro: 0,203 m Material: AC. C40 Lectura de manmetro: 1,3 kg/cm2Gasto: 35,0 lps

CUADRO 5.4Formato para el registro de mediciones de variables hidrulicas y elctricas deequipos de bombeo

MEDICIONES DE TEMPERATURA

Las mediciones de temperatura son importantes, ya que pueden brindar inormacin adicional sobre elcomportamiento, la operacin y las acciones de mantenimiento que debern ser realizadas en el sistemaelctrico del equipo de bombeo. Se recomienda indicar los equipos mnimos para la medicin de tempe-ratura; idealmente sera adecuado tener una cmara trmica para medir esta variable. Adems, se debenincluir recomendaciones.

Se debern tomar mediciones de temperatura en los siguientes elementos:


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En el equipo de control. Las mediciones de temperatura en el equipo de control se realizan para determi-nar una posible sobrecarga de corriente en conductores, o una alta de ajuste de los tornillos o elementosde sujecin de las terminales de los conductores. Para esto deber tomarse una medicin de temperaturaen los siguientes elementos del equipo de control:

Entrada al interruptor.Tomar la medicin de temperatura en las terminales de los conductoresque vienen del transormador al interruptor principal en cada una de las ases (A, B y C).

Salida del interruptor. Medir la temperatura en las terminales de salida del interruptor principalhacia el motor en cada una de sus ases (A, B y C).

Entrada al arrancador. Medir la temperatura de las terminales en los conductores de entrada alarrancador en cada una de sus ases (A, B y C).

Salida del arrancador. Medir la temperatura de las terminales de los conductores de salida quevan hacia el motor en el arrancador, en cada una de sus ases (A, B, y C).

En el motor. La medicin de temperatura en el motor puede determinar alta de mantenimiento del mis-mo, una sobrecarga o rozamiento o inestabilidad de las fechas, cuando al realizar esta medicin se obser-van dierenciales grandes de temperatura entre las partes. Para el motor se debern tomar las medicionesde temperatura en los siguientes elementos:

Carcasa.Medir la temperatura en la carcasa del motor.

Rodamientos. Se debe medir la temperatura en los rodamientos o elementos rotativos delmotor, es decir al inicio de la fecha y al nal de la fecha.

En el transformador. Al igual que en el equipo de control, las mediciones de temperatura se realizan paradeterminar una posible sobrecarga de corriente en conductores, o una alta de ajuste de los tornillos oelementos de sujecin de las terminales de los conductores en el transormador, as como tambin la altade mantenimiento del transormador. Para esto deber eectuarse una medicin de temperatura en lossiguientes elementos del transormador:

Bornes del alimentador.Medir la temperatura en las terminales o bornes del alimentador de laacometida principal del servicio de energa elctrica que conecta con el transormador, es decir,en el lado de alta tensin en cada una de sus ases (X1, X2 y X3).

Bornes de baja tensin.Medir la temperatura en las terminales de salida del transormador, esdecir, en las terminales de baja tensin, tanto en la terminal de conductor neutro (X0), como encada una de las ases (X1, X2 y X3).

Bote.Medir la temperatura del bote del transormador en la parte superior y en la parte inerior.Esta medicin ayuda a determinar la temperatura del trabajo del transormador y precisar unaposible sobrecarga.

Radiador.Medir la temperatura en el radiador del transormador, siempre y cuando el tipo detransormador tenga este elemento; las mediciones debern hacerse tanto en la parte superiorcomo en la parte inerior del radiador. Esta medicin determina de manera indirecta eldierencial de temperatura del aceite del transormador.

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Captulo 6

ANLISIS DE LA INFORMACIN Y EVALUACIN DE LA EFICIENCIA

El siguiente paso es realizar la evaluacin y el anlisis de los datos obtenidos y de las medicionesrealizadas. Esta evaluacin tendr por objeto principal determinar las prdidas energticas y laeciencia de los distintos componentes del sistema de bombeo mediante una auditora de ecienciaenergtica, lo que dar como resultado el balance de energa.

PRDIDAS ENERGTICAS EN SISTEMAS DE AGUA

Dentro de las instalaciones del sistema de agua potable, puede observarse la distribucin tpica de prdi-das de energa segn se muestra en el grco 6.1.

GRFICO 6.1Prdidas energticas tpicas en los componentes electromecnicosde un sistema de agua

100,0

Energa(porcentaje)

50,0

75,0

25,0

0,0

Transfor

mador

Trabajotil

Bomba

Redhidrulica

Motor

Condu

ctores

Se observa que las mayores prdidas de energa se presentan durante la transormacin de energamecnica en hidrulica (bomba a red hidrulica), que en algunos casos alcanza valores de entre el 40%y el 45%. Aunque, una vez recibida la energa en el motor elctrico, no es extrao encontrar sistemas debombeo con prdidas de hasta el 60%.

En ese rango del 40%-45% precisamente se encuentran las oportunidades que se exploran ms adelantecomo producto de la optimizacin de la operacin hidrulica, y es all donde tambin se presentan oportu-

nidades de ahorro de energa importantes.

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BALANCE DE ENERGA DEL SISTEMA

Al inicio de la auditora de eciencia energtica se recomienda analizar la distribucin del consumo deenerga a lo largo del sistema en evaluacin. Esto es conocido como anlisis del balance de energa.

Para realizar el balance de energa del sistema, se deben sumar los consumos de energa de todas lasinstalaciones que lo componen (pozos, plantas de tratamiento y bombeos) para obtener el porcentaje deconsumo en cada uno de ellos respecto al total de energa del sistema.

Con el balance se identican las instalaciones de mayor consumo de energa dentro del sistema para laplaneacin de la Auditora Energtica. En el grco 6.2 se muestra un balance tpico en un sistema de aguapotable y saneamiento.

GRFICO 6.2Descripcin grca del balance de energa del sistema

Rebombeos

Zona 1 pozos Zona 2 pozos

Crcamos

Planta 1de TAR

74%

7%9%

7%

3%

ASPECTOS A EVALUAR EN UNA AUDITORA DE EFICIENCIA ENERGTICA

Basado en la distribucin de prdidas descrita anteriormente, la auditora energtica (AE) en un sistemade agua potable debe incluir el anlisis de los sistemas tpicos donde se consume la energa, que enorden de importancia son los siguientes:

Suministro elctrico, lo que incluye las caractersticas del contrato de suministro. Sistema electromotriz, incluido el transormador. Conjunto motor-bomba, lo que incluye eciencias, condiciones de operacin y aspectos de manteni-miento.

Es importante hacer notar que, aunque existen muchas perspectivas para analizar los sistemas elctri-cos, para los nes de la AE, se debe enatizar el anlisis de los aspectos que mayormente incidan en elconsumo energtico.

En este captulo se describen las caractersticas ms importantes y los principales aspectos a evaluar, ascomo tambin la metodologa de clculo a aplicar durante la auditora de eciencia energtica de cadacomponente de la cadena energtica de una instalacin tpica de los sistemas de agua potable y sanea-miento, lo que ser til para el desarrollo de la cartera de proyectos de ahorro de energa posterior.


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CLCULO DE PRDIDAS ELCTRICAS EN CONDUCTORES Y TRANSFORMADORES

Clculo de prdidas en el transormadorLa subestacin elctrica es el espacio donde se aloja el primer elemento de acondicionamiento del sumi-nistro elctrico hacia el sistema electromecnico dentro de las instalaciones; se trata del transormador

elctrico, el cual tiene la uncin de reducir la tensin de la red a los valores que requieren los equipos.

FOTOGRAFA 6.1 Componentes tpicos de una subestacin

GRFICO 6.3 Detalle de componentes tpicos de una subestacin

Los principales aspectos a observar y evaluar durante la auditora de eciencia energtica son las condi-ciones de operacin del transormador elctrico y las prdidas energticas por disipacin en sus compo-nentes.

A. Evaluacin de prdidas. Las prdidas en un transormador son de dos clases: prdidas en el entrehie-rro (ncleo) y prdidas en el embobinado (cobre).

Las prdidas en el ncleo (PFe

) son aquellas que se generan en el ncleo erromagntico debido a dosactores undamentales: la energa mnima de magnetizacin y las corrientes parsitas que circulan porel ncleo debidas al fujo magntico presente y a allas en el material erromagntico. Estas prdidas sonindependientes de la carga a la que es sometido el transormador, y prcticamente invariables a la tensiny recuencia constantes. Es un dato que normalmente suministra el proveedor.

Las prdidas en el cobre (PCu

) son las que se generan en los devanados del transormador, al circular las

corrientes por los mismos. Su valor est determinado por el cuadrado de la corriente y la resistencia elc-trica de los devanados; estas prdidas estn directamente relacionadas con el actor de potencia.

Las prdidas totales son iguales a las prdidas en el ncleo ms las prdidas en el cobre a plena carga, co-rregidas por el ndice de carga (la potencia a la carga dividida por la potencia a plena carga) al cuadrado. Acontinuacin se presenta la rmula para el clculo de las prdidas totales:

Ptot

= PFe

+ PCu

* [ Prt

(kW) / (FP * Pn(kVA) ]2

Anlisis de la inormacin y evaluacin de la eciencia

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Donde:P

tot= prdidas totales (kW).

FP = actor de potencia (-).P

Fe= prdidas en el cobre a tensin nominal (kW).

PCu

= prdidas en el ncleo a tensin nominal (kW).

Pn = potencia nominal del transormador en evaluacin (kVA).Prt

= potencia real considerando todas las cargas alimentadas por el transormador (kW).

En el cuadro 6.1 se detallan las prdidas PFe

y PCu

a carga nominal para transormadores de capacidadesnominales comerciales para nes de evaluacin prctica durante la auditora de eciencia energtica, encaso de que el transormador no cuente con sus datos de abricante especcos.

CUADRO 6.1Prdidas en un transormador elctrico en uncin de su capacidad nominal

Potencianominal (kVA)

Prdidas en elhierro (W)

Prdidas en elcobre a potencia

nominal (W)25 195 67050 345 81075 400 1.080

100 435 1.085125 480 2.350160 490 2.600200 570 3.400250 675 4.230315 750 5.250400 900 6.200500 1.000 8.050630 1.250 9.000800 1.690 10.800

1.000 1.800 12.6001.250 2.010 16.8001.600 2.500 19.0002.000 2.750 23.9002.500 3.480 29.6003.150 3.500 30.5004.000 4.300 34.0005.000 5.000 39.5006.300 6.300 45.0008.000 7.000 57.500

10.000 7.600 68.500

Como es obvio, las prdidas estn directamente relacionadas con el actor de potencia; por ende, parareducirlas es necesario trabajar con un actor de potencia cercano a la unidad.

B. Inspeccin de la temperatura de operacin. El otro actor que incrementa el nivel de prdidas es laineciente remocin de calor, que se refeja en una alta temperatura de operacin por mal uncionamientoen el sistema de enriamiento. El nivel de prdidas en uncin de la temperatura se muestra en el grco6.4.


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GRFICO 6.4Prdidas en transormadores en uncin de la temperatura

30

20

5

25

1015

00 60

Temperatura (C)

Increm

entode

lasprdidas

(porc

entaje)

20 8040 100

Anlisis del actor de potenciaLa gran mayora de los equipos elctricos, particularmente los motores elctricos tipo jaula de ardilla deinduccin que son los utilizados en los sistemas de agua y saneamiento, consume tanto potencia activao de trabajo Pa (kW), que es la potencia que el equipo convierte en trabajo til, como potencia reactivao no productiva Pr (kVAr), que es la que proporciona el fujo magntico necesario para el uncionamientodel equipo, pero que no se transorma en trabajo til. La suma de ambas se conoce como potencia totalaparente S (kVA).

Ambos valores se miden durante la campaa de medicin de parmetros elctricos descrita anteriormen-te.

Causas y eectos del bajo actor de potenciaUn deterioro del actor de potencia (FP) ocasiona un incremento de la corriente, la cual a su vez eleva lasprdidas en el sistema, entre las que se destacan:

a) Aumento de las prdidas por eecto Joule, que se producen en uncin del cuadrado de la corriente y semaniestarn en:

Los conductores entre el medidor y el usuario. Los embobinados de los transormadores de distribucin. Los dispositivos de operacin y proteccin.

b) Una cada de voltaje en las lneas de alimentacin, lo que se relaciona con: Un incremento en la corriente demandada, con lo que se reduce la capacidad de cargainstalada. Esto es importante en el caso de los transormadores de distribucin. Un incremento de las prdidas Joule en la lneas de alimentacin. Estas prdidas aectan alproductor y distribuidor de energa elctrica, por lo cual se penaliza al usuario haciendo quepague ms por su electricidad.

La tarea durante la auditora de eciencia energtica con respecto al anlisis del FP consistir en losiguiente:

A. En caso de que la empresa suministradora mida el FP y aplique un costo o bonicacin por alto o bajoFP, registrar el valor estadstico de FP durante el perodo de anlisis que se evala, en conjunto con la es-tadstica de acturacin, para determinar el comportamiento en el tiempo del FP y su impacto en el costo.

Anlisis de la inormacin y evaluacin de la eciencia

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B. Medir el FP real de todos los equipos diagnosticados. En caso de que el instrumento de medicin noregistre directamente el valor de FP trisico, se deber calcular con base en los valores de potencia real ypotencia reactiva real obtenidos durante las mediciones. La manera de eectuar el clculo es la siguiente:

FP = Pa

(Pa2 - Pr2)

Donde: FP = actor de potencia (-). Pa = potencia activa medida (kW). Pr = potencia reactiva medida (kVAr).

Tambin puede calcularse tomando estos valores del medidor del suministrador.

C. Observar las instalaciones para ver si cuentan con algn sistema para compensar el FP, generalmentecapacitores, y dnde se encuentran instalados.

Clculo de prdidas en conductores elctricosAl conjunto integrado por conductores, transormadores de control, protecciones, arrancadores, contro-ladores y dems elementos que suministran energa a los equipos que transorman energa elctrica enenerga mecnica (motores), se los conoce con el nombre de sistemas electromotrices.

En la otograa 6.2 se muestran sistemas electromotrices y sus componentes.

FOTOGRAFA 6.2 Componentes tpicos del sistema electromotriz de un sistema de bombeo


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A continuacin se describen los principales aspectos a observar y evaluar durante la auditora de ecien-cia energtica en estos componentes.

Del conjunto de estos sistemas, donde se debe tener mayor cuidado en la vericacin y relevacin dedatos durante la auditora de eciencia energtica es en los conductores elctricos.

Los conductores se comportan como una resistencia pura; esto es, absorben potencia de acuerdo a lasiguiente expresin:

P = R * I2

Donde:P = prdidas por eecto Joule (W).

R = resistencia del conductor expresada (). I = corriente que circula en el conductor (A).

Asimismo, esta resistencia genera una cada de voltaje que se calcula en uncin de la corriente.

La evaluacin energtica, como parte de la auditora de eciencia energtica, consiste en calcular lasprdidas en el conductor, con el mtodo que se ilustra en el siguiente ejemplo.

Ejemplo: Calcular las prdidas en un conductor elctrico que alimenta un motor de 150 A conectado aun equipo de bombeo sumergible. El calibre del conductor instalado es de 1/0 con 4 hilos a 440 V comoindica la norma internacional. La

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