Comparación del desempeño de una turbina Francis y una turbina de flujo cruzado

Abstract

Colombia es uno de los países con mayor riqueza hídrica en el mundo y la ha utilizado para abastecer la mayor parte de la demanda de energía eléctrica a través de grandes centrales hidroeléctricas con embalse. Sin embargo, debido a la disminución de lugares adecuados para la construcción de grandes proyectos de generación, las pequeñas centrales hidroeléctricas se presentan como una alternativa para ampliar la red de abastecimiento eléctrico. Uno de los elementos que mayor impacto tiene en el rendimiento de una pequeña central hidroeléctrica es el tipo de turbina utilizado. En Colombia se han utilizado adicionalmente las turbinas Pelton y Francis, dejando de lado otros tipos de turbinas como Flujo cruzado, la cual pueden presentar un mejor rendimiento bajo ciertos escenarios. Por lo anterior, este trabajo tiene como objetivo realizar una comparación del desempeño técnico y económico de una pequeña central hidroeléctrica operada por una turbina Francis y una turbina Flujo cruzado con rangos de aplicación similares. Para ello, se realizó un modelo financiero que permite simular el desempeño técnico y económico teniendo en cuenta las características técnicas del proyecto y la eficiencia de cada una de las turbinas. El modelo fue ejecutado con datos de un proyecto teórico como caso base y se realizaron análisis de sensibilidad de las variables caudal de diseño, caudal total disponible y precio de la energía. Los resultados obtenidos indican que la turbina Francis presenta un mejor desempeño financiero cuando la hidrología del proyecto no presenta gran variación con respecto al caudal de diseño debido a su mayor eficiencia, por su parte, la turbina de Flujo cruzado es una mejor opción cuando la hidrología presentan grandes variaciones o se tiene gran incertidumbre en la selección del caudal de diseño

Abstract: Colombia is one of the countries with the greatest water wealth in the world and has used it to supply most of the electricity demand through large hydropower plants with dam. However, due to the decrease of suitable sites for the construction of large generation projects, small hydropower plants are presented as an alternative to expand the electric supply network. One of the elements that has greatest impact on the performance of a small hydropower plant is the type of turbine used. Pelton and Francis turbines have traditionally been used in Colombia, leaving aside other types of turbines like Cross Flow, which may present better performance under certain scenarios. The objective of this work is to compare the technical and economic performance of a small hydropower plant operated by a Francis turbine and a Cross Flow turbine with similar application ranges. To do this, a financial model that simulates the technical and economic performance was made, taking into account the technical characteristics of the project and the efficiency of each turbine. The model was executed with data from a theoretical project as a base case, sensitivity analyzes of the design flow, and total available flow and energy price were carried out. The results obtained indicate that the Francis turbine presents a better financial performance when the hydrology of the project does not show great variation with respect to the design flow due to its greater efficiency, on the other hand, the Crossflow turbine is a better option when the hydrology shows high variations or there is great uncertainty in the selection of the design flow.