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PROGRAMA PARA EL CÁLCULO DE LAS EFICIENCIAS ELECTROMECÁNICAS EN EQUIPOS DE BOMBEO DE POZO

PROFUNDO (EFEL 1.0)

Program for the Calculation of Efficiency Electromechanical in Equipment Deep Well Pumping (EFEL 1.0)

Gerardo Delgado Ramírez1; Miguel Rivera González1; Ramón Trucíos Caciano1;Juan Estrada Ávalos1 ; Ernesto A. Catalán Valencia1

1INIFAP. Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua-Suelo-Planta-Atmósfera. Km 6.5 margen derecha Canal Sacramento, Gómez Palacio, Durango.

e-mail: delgado.gerardo@inifap.gob.mx

RESUMENEl costo de la energía eléctrica en el sector agropecuario,

representa alrededor del 30 por ciento de los costos de pro-ducción del producto primario, debido a la extracción del agua subterránea para la irrigación de los cultivos forrajeros. Por eso, es conveniente evaluar periódicamente la eficiencia electrome-cánica de los equipos de bombeo con el propósito de mejorar la relación entre la energía consumida y el volumen de agua extraído. El objetivo de este trabajo fue desarrollar un software que determine la eficiencia electromecánica, en base a la meto-dología propuesta por la NOM-006-ENER-1995. Esta se refiere a la eficiencia energética electromecánica en equipos de bom-beo para pozo profundo en operación, la cual es aplicable para bombas sumergibles y con motor externo. El programa también calcula el porcentaje de recargo que ejecuta la Comisión Fede-ral de Electricidad (CFE) por tener un factor de potencia menor al valor de 0.90. Asimismo, realiza un análisis de optimización del calibre del conductor de energía eléctrica desde el arran-cador hasta el motor eléctrico. Además, genera una base de datos sobre las evaluaciones y mantenimientos que se realicen a cada pozo y/o equipo con el propósito de facilitar el control de los servicios de instalación y mantenimiento. Por último, el soft-ware genera una serie de recomendaciones dirigidas al usuario para que confronte con los proveedores del servicio de instala-ción o mantenimiento de los equipos. Todo esto, con el fin de contribuir en la disminución de los costos de la energía eléctrica por la extracción del agua subterránea.

Palabras Clave: agua subterránea, bomba, energía eléc-trica, motor eléctrico.

SUMMARYThe cost for electrical energy in the agricultural sector ac-

counts for about 30 percent of the production costs of the pri-mary product, due to the extraction of groundwater for irrigation of fodder crops. Therefore, it is convenient to evaluate perio-dically the electromechanical efficiency of pumping equipment with the aim of improve the relationship between the energy consumed and the volume of water extracted. The aim of this work was to develop software that determines the electrome-chanical efficiency, based on the methodology proposed by the NOM-006-ENER-1995. This is about energy efficiency electro-mechanical equipments for deep well pumping operation, which is applicable for submersible pumps and with external motor. The program also calculates the percentage of surcharge that runs the Federal Electricity Commission (CFE) by having a lower power rating factor to the value of 0.90. It also performs an analysis of gauge of the conductor optimization of electrical energy from the soft starter up the electric motor. Also genera-tes a database of evaluations and maintenance to be carried to each well and/or equipment with the aim of facilitate the con-trol of the installation and maintenance services. Lastly, the software generates a series of recommendations to the user to confront service providers with installation and maintenance of equipment. All this for the purpose of contribute to reducing the costs of electric energy by the extraction of groundwater.

Keywords: groundwater, pump, electrical energy, elec-tric motor.

INTRODUCCIÓNDiversos especialistas definen la eficiencia electromecánica

como la relación entre la energía eléctrica suministrada a un motor eléctrico (potencia eléctrica) y la energía mecánica que realiza un motor para extraer agua del subsuelo, también lla-mada potencia hidráulica (Cisneros, 1977; Peña, 1989; Viejo, 2000; CNA, 2009). En otras palabras, es la relación entre la

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energía eléctrica consumida y el volumen de agua extraído por la bomba.

En México, el costo de la energía eléctrica en el sector agro-pecuario representa alrededor del 30 por ciento de los costos de producción del producto primario (Delgado et al., 2013), por la extracción del agua subterránea para la irrigación de los cul-tivos forrajeros. De ahí la importancia de evaluar periódicamen-te la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo de pozo profundo con la finalidad de monitorear y en su caso mejo-rar la relación entre la energía consumida y el volumen de agua extraído a través de acciones que permitan reducir el consumo de la energía eléctrica.

En nuestros días, permanece vigente una Norma Oficial Mexicana que trata sobre la eficiencia energética electrome-cánica en equipos de bombeo para pozo profundo en opera-ción (NOM-006-ENER-1995). Esta Norma tiene como finalidad establecer el nivel mínimo de eficiencia electromecánica para la operación de los equipos de bombeo para riego agrícola y servicios municipales, para bombas verticales tipo turbina con motor eléctrico: externo o sumergible. La Norma establece que cuando un equipo de bombeo no alcance el valor mínimo per-misible será necesario rehabilitarlo para reducir su consumo de energía con el fin de contribuir a la preservación de los recursos energéticos. Además, especifica el método de prueba para ve-rificar el cumplimiento de los valores mínimos establecidos de dicha eficiencia, en base a los intervalos de potencias del motor eléctrico (de 7.5 a 350 hp).

El presente programa calcula la eficiencia electromecáni-ca de acuerdo a la metodología propuesta por la NOM-006-ENER-1995. En base a la eficiencia calculada y a los valores mínimos permisibles por la Norma. Además, genera una serie de recomendaciones o sugerencias dirigidas al usuario para que confronte con los proveedores del servicio de instalación o mantenimiento de los equipos con el objeto de mantener o mejorar la eficiencia al valor mínimo permisible. El software también calcula el porcentaje de recargo o penalización que ejecuta la Comisión Federal de Electricidad (CFE) a todos los usuarios por tener un factor de potencia menor al valor de 0.90. Igualmente realiza un análisis de optimización del calibre del conductor de energía eléctrica desde el arrancador hasta el motor eléctrico. Finalmente, crea una base de datos sobre las evaluaciones y mantenimientos que se realicen a cada pozo y/o equipo, con el propósito de facilitar el control de los servicios de instalación y mantenimiento de la bomba, arrancador, transfor-mador, motor eléctrico, cables conductores, etc. Todo esto, con la finalidad de contribuir en la disminución de los costos de la energía eléctrica por la extracción del agua subterránea.

DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMAEl programa calcula la eficiencia electromecánica de acuer-

do a la metodología establecida por la Norma Oficial Mexicana 006 (NOM-006-ENER-1995); donde dicha eficiencia es la rel-

ación de la potencia medida a la salida de la bomba entre la po-tencia de entrada al motor eléctrico, y se expresa en porcentaje (Román et al., 2004; Reyes, 2005), la relación es la siguiente:

(1)

Donde EE .. es la eficiencia electromecánica (%); vq el gasto bombeado (m3 seg-1); ρ es la densidad del agua (kg m-3); g es la aceleración de la gravedad (m seg-2); H es la carga total dinámica de bombeo (m); V es la tensión eléctrica (volt); I es la corriente eléctrica (amperes); fp es el factor de potencia (adimensional).

El menú principal del programa EFEL 1.0 comprende las siguientes cinco secciones: 1) registro de predio y pozo, 2) evaluaciones, 3) bitácora de evaluaciones, 4) bitácora de man-tenimiento y 5) análisis de los conductores (Figura 1).

A continuación se describen de forma detallada cada una de las secciones que conforman el software:

1) Sección “Registro de predio y pozo”: en esta ventana se registra el nombre del predio y la ubicación de este (muni-cipio y estado), así como el número de pozo y el uso del agua (Figura 2).

2) Sección “Evaluaciones”: en esta sección aparecen solamente los predios y pozos registrados con anterioridad, por lo que es imposible registrar un predio y/o pozo nuevo. En esta misma ventana se introduce la fecha en que se realizó la evaluación del equipo de bombeo. Para iniciar la captura de la información se oprime el botón “iniciar” (Figura 3).

En la siguiente ventana (Figura 4), se introducen los datos de características del pozo, como: diámetro de la tubería de succión (in); diámetro de la tubería de descarga (in); longitud de la tubería de descarga (m) y la elevación de descarga o proyec-ción vertical (m).

Después de introducir las características del pozo, se se-lecciona el tipo de bomba existente en el programa. Este pro-porciona dos opciones para el seleccionamiento: sumergible o no sumergible o también conocido como bomba vertical con motor externo (Figura 5). Al seleccionar la bomba, simultánea-mente aparece un campo para capturar la capacidad del motor eléctrico en unidades de caballos de fuerza (hp). En caso de seleccionar la bomba no sumergible, el programa adiciona otro campo para capturar el diámetro de la flecha del motor eléctrico en pulgadas, este dato es primordial para calcular las pérdidas de carga en la tubería de succión.

El programa tiene disponible tres técnicas de aforo para fa-cilitar la estimación del gasto bombeado: volumétrico, con moli-nete digital y con el medidor volumétrico instalado en el cabezal de descarga del pozo (Figura 6). Cada una de estas técnicas requiere diferente instrumentación, y por tanto, su exactitud

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puede variar en cada caso.

El método volumétrico consiste en cuantificar el tiempo ne-cesario para el llenado de un recipiente (balde, tambo, etc.) pre-viamente aforado, a través del uso de un cronómetro. El gasto se calcula dividiendo el volumen de agua entre el tiempo pro-medio de llenado del recipiente (Ochoa, 1996; Briones et al., 1997). Su expresión es la siguiente:

(2)

Donde Q es el gasto o caudal bombeado (lt.seg-1); V es el volumen conocido del recipiente (lt); promt es el tiempo prome-dio de llenado del recipiente (seg).

La técnica del molinete, es práctica y precisa para medir la velocidad del agua en canales abiertos y tuberías. En este úl-timo, pueden realizarse mediciones de velocidad de agua en tubos llenos y parcialmente llenos (Ruiz, 2001; Tezeta, 2011). Cada molinete esta calibrado de fábrica y dispone de una tabla o una ecuación para transformaciones de datos. La velocidad del agua se mide, colocando el molinete a una profundidad del 60% del tirante hidráulico, tomando lecturas a un intervalo de 60 segundos; cuanto mayor sea el número de lecturas, más confiable será la apreciación de la velocidad medida en la tu-bería. El gasto en una tubería totalmente llena se calcula con la siguiente ecuación:

(3)

Donde Q es el gasto o caudal bombeado (lt.seg-1); d es el diámetro interior de la tubería (m); v es la velocidad del agua dentro del tubo (m.seg-1).

Para el caso, del tubo parcialmente lleno, el gasto se calcula mediante la siguiente expresión matemática:

(4)

Donde c es un coeficiente de ajuste del área que depende de la relación entre el tirante hidráulico (h) y el diámetro interior de la tubería (d).

La técnica del medidor volumétrico instalado en el pozo, es el menos recomendado; sin embargo, es una opción en caso de no contar con el material o la instrumentación necesaria para medir el gasto bombeado. En este caso, se sugiere que el inter-valo de las lecturas observadas en el medidor volumétrico sean de un tiempo de al menos seis horas, con la finalidad de garan-

tizar un dato confiable (Saldivar, 2010). El gasto se determina con la siguiente ecuación:

(4)

Donde inicialLEC es la lectura inicial del volumen de agua extraído por el pozo (m3); finalLEC es la lectura final del volu-men de agua extraído (m3); t es el tiempo de medición entre las dos lecturas.

En la Figura 7 se selecciona la técnica de medición del nivel dinámico, la cual representa la distancia vertical que existe en-tre el nivel de referencia (base del motor) hasta la superficie del agua cuando el equipo de bombeo se encuentra en operación (Reyes, 2005). Este nivel depende prácticamente del caudal y tiempo de bombeo, y sobre todo de las características hidro-geológicas del acuífero (Quintero, 1994). Para determinar este valor, el programa propone tres técnicas: sondeo, por número de tramos de tubería de columna y sonda neumática.

Estableciendo los valores de gasto y nivel dinámico, se cap-turan los parámetros eléctricos de la evaluación de la eficien-cia electromecánica de los equipos de bombeo (Figura 8). En esta ventana se capturan los datos de voltaje, corriente, factor de potencia y kilowatts. En esta misma ventana el programa calcula la estimación de recargo por bajo factor de potencia. Para ello, se utiliza la fórmula establecida por la Comisión Fed-eral de Electricidad (CFE, 2011), disponible en su página web. Además, el programa calcula la potencia real consumida por el motor eléctrico en unidades de caballos de fuerza (hp).

En la Figura 9 se observa la última ventana de la sección “Evaluaciones” donde se presentan los resultados: carga total dinámica, eficiencia electromecánica mínima aceptable por la NOM-006-ENER-1995. Así como la eficiencia electromecánica calculada y las sugerencias generadas por el programa para mejorar la eficiencia del equipo.

3) Sección “Bitácora de Evaluaciones”: esta sección fue diseñada para consultar el historial de las evaluaciones de un pozo de interés. Para visualizar dicho historial, es necesario se-leccionar el nombre del predio y el número de pozo registrado previamente (Figura 10). Para imprimir los resultados del pro-grama, se selecciona el pozo (el programa sólo puede imprimir un resultado a la vez), luego se oprime el botón “imprimir resul-tados” (Figura11).

En la Figura 12, se presentan los resultados de la evalua-ción de la eficiencia electromecánica de forma detallada. Den-tro de los resultados se observa lo siguiente: fecha de evalua-ción, nombre del predio, localización del predio, número de pozo, uso del agua, gasto bombeado, nivel dinámico, factor de potencia y la eficiencia electromecánica calculada.

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4) Sección “Bitácora de Mantenimiento”: en esta se cap-turan los datos de mantenimiento de los pozos y/o equipos de bombeo. Para su captura, es importante seleccionar el predio y el número de pozo, los cuales deben de estar registrados en el programa con anterioridad. La información que se captura, es la siguiente: fecha de evaluación, características del pozo, datos del arrancador eléctrico, datos nominales del motor eléc-trico y transformador. Asimismo, se captura las características hidráulicas de la bomba o cuerpo de tazones (Figura 13).

El botón “Histórico” conduce a otra ventana, la cual muestra la base de datos de los mantenimientos capturados para cada pozo (Figura 14).

5) Sección “Análisis de los Conductores”: se realiza un análisis de optimización de los conductores de energía de los equipo de bombeo, con el objeto de seleccionar el calibre óp-timo para dicha instalación (Figura 15). En primera instancia, se captura el tipo de bomba que se encuentra instalada en el pozo. Posteriormente, se captura el amperaje promedio consu-mido de las tres líneas y la longitud de los conductores desde el arrancador hasta el motor eléctrico. También se introduce el calibre del conductor y el costo del kilowatt-hora. Al capturar toda esta información, se selecciona el botón “Calcular” para que muestre el resultado del análisis e indique el calibre óptimo

para cada uno de los casos, así como el ahorro que puede ob-tener el usuario si realiza el cambio de calibre del conductor, en caso de existencia de cables ya instalados.

CONCLUSIONESEl programa descrito constituye una herramienta importante

para el cálculo de las eficiencias electromecánicas de los equi-pos de bombeo de pozo profundo, ya sea para el tipo de bomba sumergible o con motor vertical externo. Además, contribuye en un ahorro del consumo de energía eléctrica, siempre y cuando, el usuario adopte las recomendaciones generadas por el pro-grama. El impacto de este ahorro de energía se refleja en una reducción en el pago de facturación de la misma. Con esto, se logra una rentabilidad en la producción de productos primarios agrícolas.

El programa se puede emplear como herramienta para la planeación y toma de decisiones sobre los mantenimientos pre-ventivos o correctivos del pozo y/o del equipo de bombeo. Esto es factible, ya que el programa genera una base de datos de las evaluaciones capturadas y de los mantenimientos propor-cionados a los equipos, ambos son graficados para interpretar de forma atinada su interacción.

FIGURAS

Figura 1. Menú principal del Programa EFEL 1.0.

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Figura 2. Sección para registro de predio y pozo del Programa EFEL 1.0.

Figura 3. Sección para registro de evaluaciones del Programa EFEL 1.0.

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Figura 4. Ventana para registro de características del pozo en el Programa EFEL 1.0.

Figura 5. Ventana para seleccionar el tipo de bomba.

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Figura 6. Ventana para seleccionar la técnica de aforo para calcular el gasto bombeado.

Figura 7. Ventana para seleccionar la técnica de medición del nivel dinámico.

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Figura 8. Ventana para capturar los parámetros eléctricos de la evaluación.

Figura 9. Ventana de resultados de la sección “Evaluaciones”.

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Figura 10. Ventana previa de la “Bitácora de Evaluaciones”.

Figura 11. Ventana de “Bitácora de Evaluaciones”.

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Figura 12. Ventana de impresión de resultados de las evaluaciones.

Figura 13. Ventana de “Bitácora de Mantenimiento”.

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Figura 14. Ventana de los datos históricos de mantenimiento.

Figura 15. Ventana de Análisis de los Conductores.

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