Informe de Hercca

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, INFORMÁTICA Y MECÁNICA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Tema: informe de pequeño central hidroeléctrica hercca

Curso: turbomaquinas Docente: Ing. Willy Morales Alarcón Alumno: freddy Mancco Hancco Código: 164123 CUSCO -PERU

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1.

ASPECTOS GENERALES 1.1. Introducción

La Central Hidroelectrica Hercca (C.H. HERCA), se encuentra ubicado en provincia de Canchis y distrito de Sicuani, departamento de Cuzco, a una altura promedio de 3740 msnm en la zona media de la cuenca del río Hercca, afluente del río Vilcanota, al Este de la Cordillera de los Andes. El área del proyecto se encuentra entre la laguna Langui Layo y la población de Hercca sobre la margen derecha del río del mismo nombre. La Central aprovecha el recurso hídrico del río tributario Hercca, y una diferencia de cota de 92.5 m existe entre la toma y la casa de máquinas, para la generación de energía eléctrica. La Pequeña Central Hidroeléctrica Hercca es una instalación antigua cuya fecha de inicio de operación se remonta al año 1924 con la instalación del primer grupo de 400 kW abasteciendo energía para fines industriales así como abasteciendo a la ciudad de Sicuani. En 1936 se instaló un segundo grupo de 416 kW que en la l a actualidad se encuentra fuera de servicio. El comportamiento histórico de los caudales naturales del río Vilcanota, responde al comportamiento de toda una gran cuenca a la cual pertenece, siendo está sometida a los fenómenos naturales como el Fenómeno del Niño, cambios climáticos y al incremento de la población a lo largo de la cuenca quienes utilizan el agua para consumo humano y riego.

1.1.1. Antecedentes – Antecedentes – Situación  Situación Actual del Área del Proyecto La Empresa de Generación Machupicchu S.A. (EGEMSA) ha previsto implementar el proyecto de Repotenciación de la Pequeña Central Hidroeléctrica Hercca, con el objeto central de incrementar la generación de energía y obtener mayores beneficios económicos. EGEMSA, siendo una empresa estatal de derecho privado está incluida dentro del Sistema Nacional de Inversión Pública (SNIP) y como consecuencia de ello desde el año 2,000, ha

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Con fecha 6 de Agosto del 2,004 y con documento Nº1040-2004-EF/98.0, la Oficina Multianual de Inversión Pública del Ministerio de Economía y Finanzas ha aprobado el proyecto de Factibilidad de la Repotenciación de la Pequeña Central Hercca con las siguientes características: 

Caudal

3.8 m3/s



Potencia

4.01 MW



Inversión

4.651 Millones de Dólares sin IGV

La Gerencia de Desarrollo de EGEMSA antes de llevar a cabo la fase de inversión ha revisado el proyecto y coordinado con los actores involucrados del proyecto como son (propietarios de la captación, propietarios de la subestación elevadora y empresa concesionaria de transmisión eléctrica, REP), encontrándose en ellos dificultades con los actores externos para llevar a cabo el proyecto de repotenciación, siendo los siguientes: 

Costo elevado de los terrenos de la captación, los propietarios de estos terrenos (central Maca) pidieron la suma de US$ 500,000.00.



Costo elevado de los terrenos para la instalación de la subestación, los propietarios de estos terrenos (comunidad Totorani) pidieron US$ 40.00 m2 - US$ 400,000.00



La empresa concesionaria de transmisión Eléctrica (REP). Con documento GO – GO – 050  050  – 2004  – 2004 Indica que la conexión de la pequeña Central Hercca debe ser en PI y no en T como está el proyecto.

Con fecha 22 de febrero del 2005, la Gerencia de Desarrollo de EGEMSA mediante la división de logística (proceso ADP-001-2005) han otorgado la Buena Pro de la Actualización del Estudio de Factibilidad de la l a Repotenciación de la Pequeña Central Hercca a la empresa Lahmeyer Agua y Energía S.A., para que esta empresa pueda analizar las implicancias económicas, rentabilidad y viabilidad de los l os cambios entre ellos con las siguientes premisas: 

Que las instalaciones estén dentro de las propiedades de EGEMSA.



La ubicación de la captación (bocatoma), deberán estar ubicadas en terrenos de propiedad de EGEMSA (Actual ubicación)



De acuerdo al último estudio de aforos, realizado por el Ing. Carlos Loayza Shaffino se tiene un incremento de caudal en el río Hercca, el mismo que debe ser tomado

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

Conexión en PI, tal como lo solicita la concesionaria de la transmisión eléctrica.

Con fecha 28 de Diciembre del 2004, se dio buena pro al Ing. Carlos Loayza Shaffino, Shaffino, para que realice los aforos y estudio del potencial hidráulico de la cuenca del río Hercca. El presente estudio toma en cuenta esta nueva información. A la fecha está en proceso de convocatoria, los estudios de afianzamiento de la Laguna Langui, esta va a servir para afianzar la necesidades de agua a la central Machupicchu favoreciendo indirectamente a la pequeña Central Hercca. En el presente estudio de Actualización por lo tanto se plantean alternativas al ternativas de desarrollo del proyecto sobre el esquema actual de la central y utilizando la hidrología más reciente. Paralelamente se hace una evaluación del mercado eléctrico y los costos marginales de energía y potencia basados en información i nformación reciente. 1.1.2. Accesibilidad Existen varias rutas de acceso al área del proyecto. Una de ellas es la ruta Nazca-Abancay-Cuzco. Esta ruta, se inicia desde la Carretera Panamericana, aproximadamente a 460 km al sur de Lima, cerca de la ciudad de Nazca. Nazca. Usa la carretera nacional Nº 26, que va en una dirección general Nor-Este vía Abancay, capital del departamento de Apurímac. Esta carretera, después de una distancia de 670 km, llega a la capital del departamento del Cuzco. Desde este lugar, la siguiente ruta va por la Carretera Nacional Nº 3 en dirección Sur-Este llegando a Sicuani después de una distancia de más de 140 km. A partir de Sicuani se sigue la carretera afirmada con dirección Sur – Sur – Sur  Sur Este Otra de las rutas es Mollendo-Arequipa-Sicuani que se inicia en el Océano Pacífico y sigue por la Carretera Nacional Nº 30, vía Arequipa en dirección Noreste. Después de aproximadamente 250 km pasando pasando por Pati, continúa la Carretera Nacional Nº Nº 21, en dirección norte, vía Imata y Ocoruro hasta Sicuani. La distancia total entre Mollendo y Sicuani es aproximadamente de 510 km. En Matarani, cerca de Mollendo, existen facilidades portuarias con con suficiente capacidad para desembarcar equipos y maquinarias, necesarios para la construcción de la central hidroeléctrica.

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1.1.3. Problemática a solucionar Es la limitada generación Eléctrica en la PCH Hercca. 

Causa Directa Equipamiento electromecánico muy antiguo y obsoleto. Obras Civiles antiguas y muy pequeñas. Aprovechamiento de los recursos hídricos



Causa Indirecta Ineficiente, uso de la regulación de la Laguna Langui.

1.1.4. Información sobre los beneficiarios El área de influencia del proyecto es el sistema interconectado nacional (SEIN) que abarca la mayor parte del territorio nacional, sin embargo dado la magnitud y objetivo del proyecto, los beneficiarios potenciales son los pobladores asentados en el área del desarrollo del proyecto. 1.1.5. Objetivos Este proyecto tiene como objetivo mejorar el aprovechamiento hídrico en la Pequeña Central Hidroeléctrica Hercca e instalar nuevo equipamiento de generación, favoreciendo los principios de operación del sistema eléctrico nacional en lo que se refiere a mejora de la confiabilidad, bajos costos de operación e incremento de consumo de energía eléctrica. 1.1.6. Área de Influencia El área de influencia del proyecto es el sistema interconectado nacional (SEIN) que abarca desde Tumbes hasta Tacna en la zona costera, en la sierra los l os departamentos de Cajamarca, Huánuco, Pasco, Junín, algunos sectores de Huancavelica, Ayacucho, Apurímac, Cusco y Puno. 1.1.7. Metas del Proyecto: La construcción de la Central Hidroeléctrica Hercca tiene como meta Contribuir a la sostenibilidad social, económica y ambiental mejorando la eficiencia de uso de los productos energéticos propiciando proyectos energéticos y promover el uso de energías renovables en la región

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2.

CONCEPCIÓN DEL PROYECTO

2.1. Descripción del proyecto definitivo I.

Accesos

Se prevé que un acceso para la construcción será necesario en el área de la bocatoma. Este acceso partirá de la carretera existente que pasa por la margen izquierda cerca de la bocatoma existente. A partir de un punto apropiado se debe construir un ramal que bordee la margen izquierda para llegar a la zona de bocatoma. No se ha previsto la construcción de un puente para cruzar el río en vista que la construcción debe planearse para el período de estiaje en el cual es posible vadear el río con equipo pesado. Este acceso permitirá que la construcción de la bocatoma, la plataforma de la conducción, la conducción y la cámara de carga pueda ser realizada en forma paralela. Sin embargo, debido a la configuración topográfica del terreno y a la relativa corta longitud de la conducción, se ha previsto sólo este frente para la construcción de la plataforma y el canal de conducción. Para las obras en la tubería forzada, casa de máquinas y subestación se hará uso de un acceso existente y un puente sobre el río Hercca ubicado aguas abajo de la casa de máquinas. Para el tránsito pesado de maquinarias y equipo se debe verificar la capacidad de carga del puente existente. II.

Bocatoma

La bocatoma proyectada es una bocatoma de derivación del tipo convencional conformada por un barraje transversal al flujo en el río y una ventana de captación l ateral ubicada sobre la margen derecha. La bocatoma se ubica en un tramo más o menos recto del río Hercca, sobre un terreno de pendiente moderada. Ambos flancos del valle en este sector se presentan estables y proveen condiciones aceptables para cimentar esta estructura. El ancho del barraje es de 20 m y ha sido calculado para una avenida de diseño de 100 m³/s que corresponde a un período de retorno de 100 años. El barraje tiene un núcleo de concreto armado flanqueado por enrocado colocado tanto hacia aguas arriba como aguas

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El barraje en su zona móvil cuenta con c on dos compuertas deslizantes de 2 m de ancho y 2.5 m de altura con un sistema de ataguías colocados aguas arriba. La captación se realiza por medio de dos ventanas ubicadas diagonalmente a la dirección del flujo en el río. Después de las ventanas se dispone de un desgravador y a continuación de dos compuertas de captación que conectan hacia un canal rectangular. Al extremo de este canal se dispone de una transición de 5 m de largo que conecta a la tubería de conducción entre la bocatoma y el desarenador. Sobre las áreas de operación se han dispuesto pasarelas con barandas de seguridad y escaleras para accesos para inspecciones y mantenimiento. m antenimiento. III.

Desarenador

El desarenador es una estructura de concreto co ncreto armado conformada por una nave de 20 m de longitud y 4.00 m de ancho, con una canal trapezoidal en el fondo de manera que la profundidad de la naves es variable. Se inicia con una transición de ingreso que conecta la tubería proveniente de la bocatoma. Por otro lado finaliza con un vertedero hacia el canal de conducción. El vertedero garantiza un nivel de agua mínimo en el desarenador. La purga de sedimentos se realiza, mediante un conducto cerrado que descarga al río. La purga se activará mediante la apertura de una compuerta ubicada al final de desarenador. El desarenador se conecta al canal de conducción mediante una transición de concreto de 5 m de longitud. IV.

Conducción

La conducción hacia la central se realizará por medio de una tubería perfilada de PVC de

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El trazado de la conducción se ha adaptado a la configuración del terreno de manera de minimizar los trabajos de movimiento de tierras. De esta manera resulta que la conducción tendrá un importante número de curvas. La construcción tendrá dos fases bien definidas: la conformación de la plataforma por medio de relleno y corte y el montaje de la tubería o la construcción del canal de concreto que se iniciará desde la cámara de carga hacia la bocatoma. El sentido de la construcción de la conducción se justifica por el hecho de poder utilizar convenientemente la plataforma del canal como camino de acceso. V.

Cámara de carga

La cámara de carga es una poza rectangular de 10 m de largo, 7 m de ancho y 6 m de profundidad, conformada por muros de concreto armado de 0.30 m de ancho. Su disposición se ha hecho de manera de aprovechar la configuración actual del afloramiento rocoso presente en la zona de la caída y el corte de la roca realizado para la construcción de la cámara de carga existente. La cámara de carga es el elemento de conecta la conducción c onducción a pelo libre con la conducción a presión en la tubería forzada. Para ello la cámara tiene una poza adicional de mayor profundidad en cuyo fondo se inicia la tubería. Al inicio de esta poza se ha previsto una reja fina que permita atrapar elementos flotantes que puedan ser acarreados por el agua. De igual manera cuenta con un canaleta de fondo y su purga controlada por una compuerta, para descargar elementos sólidos decantados en la cámara c ámara de carga. Dispone también de un vertedero de demasías de cresta fija, que permite evacuar el agua que pudiera presentares en exceso durante una disminución o rechazo de carga del grupo. En esta situación el agua es conducida hacia la quebrada natural que existe al costado de la cámara de carga.

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

Cuenta con 5 bloques de anclaje dispuestos en los cambios de dirección y apoyos de concreto armado cada 6 m.



Con la finalidad de minimizar la excavación la tubería se encuentra en su mayor parte del recorrido encima del terreno natural.



Para absorber los cambios de longitud de la tubería por efectos térmicos, aguas abajo de cada anclaje se han dispuesto juntas de dilatación.



VII.

La tubería se conecta con la válvula dentro de la casa de máquinas.

Casa de Máquinas y Canal de Descarga

Se utilizará el emplazamiento de la casa de máquinas existente. Se requiere por lo tanto demoler completamente la casa de máquinas. La nueva edificación que ha sido estructurada en base a elementos metálicos, tanto en estructura como en coberturas laterales y techos. Internamente la casa de máquinas será acondicionada para colocar el nuevo equipamiento eléctrico necesario. Este acondicionamiento incluye la habilitación de un cuarto de baterías y un baño y la construcción de canales para cables. La nueva casa de máquinas dispone de un ambiente para el montaje y a otro nivel inferior, la sala de máquinas para albergar a los dos grupos turbina generador. La sala de celdas de media tensión, servicios auxiliares y sala de control y mando se encuentra separada del área de máquinas. Por necesidad de un puente grúa la altura libre en el área de la sala de máquinas es de 3 m, suficiente para labores de montaje y mantenimiento. VIII.

Subestación de Interconexión

La subestación de interconexión se encuentra ubicada al lado de la casa de máquinas

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El diseño de la subestación se ha hecho tratando de optimizar el uso del terreno disponible. De esta manera tanto la casa de máquinas como la subestación compartirán un mismo acceso. Las obras civiles correspondientes están constituidas por bases de concreto armado para el transformador principal, interruptores, seccionadores y pórticos. Adicionalmente existen canaletas de cables de fuerza y control y un cerco de protección de la subestación. IX.

Equipamiento Mecánico e Hidráulico de la Casa de Máquinas

Turbinas Se requieren dos turbinas del tipo Francis de eje horizontal, con rodete en voladizo, cada una de las cuales diseñadas para las siguientes condiciones de operación: Altura neta nominal

:

95 m

Caudal nominal

:

4 m3/s

Potencia al eje

:

3450 kW

Velocidad de rotación

:

720 rpm.

Velocidad específica

:

111.54

Velocidad de embalamiento

:

960 rpm.

Altura de succión

:

0.30 m

Cada turbina está constituida por: 

Una caja espiral de planchas de acero soldadas en una sola pieza, con brida de ingreso, soldado a un anillo central que contiene los álabes directrices

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

Un rodete Francis de acero inoxidable.



Un eje de acero forjado, con bridas en ambos extremos, para su unión al rodete y al eje del rotor del generador.



Un cojinete de empuje y de guía, con lubricación forzada.



Un sello del eje de anillos de carbón en el pasaje al exterior del eje de la turbina.



Un servomotor de presión de aceite, de simple efecto, accionado por un regulador de velocidad, provisto de un resorte para el cierre.



Organos mecánicos de conexión entre el anillo de regulación y el servomotor.



Elementos de conexión entre las partes.

Válvulas La válvula de cada turbina será del tipo mariposa, de 1080 mm de diámetro, diseñada para una presión de diseño de 12 bar y una presión de prueba hidrostática de 18 bar y serán accionadas por un servomotor hidráulico para la abertura y por un contrapeso para el cierre de la válvula Estará constituido de las partes siguientes: 

Un cuerpo cilíndrico de acero provisto de bridas en ambas extremidades.



Un elemento de cierre y abertura, de forma lenticular, ensamblado sobre muñones, con sello recambiable de goma de tipo especial fijado en la periferia o en el cuerpo de la válvula para lograr un cierre hermético.



Una junta de desmontaje de brida móvil.



Soportes de los muñones provistos de casquillos autolubricantes.



Empaquetaduras de sellado hidráulico.

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El aceite a presión para el accionamiento del servomotor se obtendrá del c ircuito de aceite del regulador de velocidad.

Regulador de velocidad El regulador de velocidad será del tipo electrónico, con capacidad para operar sin inestabilidad bajo todas las condiciones de operación en red aislada y operando en paralelo con otros grupos. El conjunto electrónico de mando incluye: 

Un convertidor de medida de frecuencia.



Un regulador PD de posición del servomotor de los álabes directrices.



Un regulador de frecuencia del tipo PID, que determina la diferencia entre la frecuencia del grupo y la frecuencia de consigna.



Consigna estática de apertura tipo digital/analógico de mando local y a distancia.



Circuito servoposicionador con amplificadores para la determinación del error entre el valor de consigna y la apertura real y el amplificador de salida de mando de la servoválvula.



Circuitos auxiliares del transductor de posición para la limitación de

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

Contactos de posición de los álabes directrices, directri ces, operado por un mecanismo conectado al servomotor de los álabes directrices.

El equipo de bombeo de aceite a presión para la alimentación del servomotor de mando de la turbina y de la válvula mariposa, estará constituido por: 

Un tanque de aceite en chapa de acero soldada, con cubierta removible, con indicador de nivel de aceite con contactos eléctricos de niveles alto y bajo nivel, indicador visual protegido y termostato.



Un serpentín de refrigeración, si es necesario.



Una válvula reguladora de presión y de seguridad.



Un filtro para el aceite.



Dos bombas de engranajes instalados en el interior del tanque accionado por un motor de inducción de jaula de ardilla con contactor de arranque magnético y protección contra sobrecarga.



Dos filtros de aceite en la succión de cada bomba, fácilmente removible para limpieza.



Una válvula automática de seguridad, que se activa cuando la presión de aceite de regulación excede la presión de operación máxima admisible.

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La potencia nominal de cada alternador será del orden de 3.5 MW, debiendo ser precisada por el fabricante, en función a la potencia de la turbina que lo accionará. El factor de potencia será 0.80 y la tensión de generación 10.5 kV, clase de aislamiento F adecuada al servicio. El alternador será enfriado por aire en circuito abierto con filtros al ingreso del aire. Cada alternador contará con instrumentación de vigilancia y protección para los devanados, cojinetes y aire de enfriamiento; para los períodos de parada contará con resistencias de calentamiento. Contará con transformadores de tensión y corriente para protección, medición y contadores de energía. Así mismo, contará con todos los dispositivos necesarios para el correcto funcionamiento del grupo. El neutro del alternador será conectado a tierra mediante una resistencia. El suministro comprenderá la conexión al sistema de puesta a tierra de la Central. Sistema de excitación y Regularización de Tensión El sistema de excitación del generador será del tipo sin escobillas, diodos rotativos con generador de imanes permanentes, contará con interruptor de campo y resistencia de desexcitación. La regulación de tensión del alternador se efectuará por medio de un regulador

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protección IP56 en donde se instalarán los equipos de maniobra, protección y medición. Los interruptores seleccionados serán del tipo extraíble, con cámara de extinción en vacío o SF6. La celda para alimentar los servicios auxiliares de la central contendrá un seccionador fusible y un transformador trifásico 10.5 +- 2 x 2.5% / 0.400-0.230 KV, de una potencia nominal de 100 KVA, ONAN, del tipo seco e instalación interior. Sistemas Eléctricos de Servicios Auxiliares Estará conformado por todos los equipos, tableros de distribución metálicos auto soportados y materiales necesarios, a partir de los bornes de baja tensión del transformador para servicios auxiliares trifásico 10.5/0.400-0.23 kV para la correcta operación del grupo y demás instalaciones de la central. XI.

Sistema de corriente continua

El sistema cubrirá los requerimientos de energía eléctrica en corriente continua de los equipos auxiliares propios de los grupos y de la central en 110Vcc y 24 Vcc. El suministrador podrá prever también 48 Vcc de acuerdo a su requerimiento y estandarización. El sistema comprende los tableros de distribución metálicos del tipo auto soportado,

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El radio enlace digital actualmente existente conecta la central de Hercca con la ciudad de Sicuani, desde aquí a la ciudad del Cusco la comunicación se extenderá a través de un canal de datos dedicado. Por otro lado, para la medición de la energía generada y entregada al sistema, así como para el control de los principales parámetros eléctricos, se contará con medidores electrónicos multifunción de alta precisión (clase 0.2). XII.

Sistema de Puesta a Tierra

A la red de tierra se conectarán los elementos básicos de la central c entral como son: los neutros de los generadores, el neutro del transformador de servicios auxiliares, así como también los equipos de medida y señalización de puestas a tierra de las diferentes fases. El sistema estará conformado por una red de tierra profunda en forma de malla de conductores de cobre desnudo del orden de 70 mm² de sección, con uniones soldadas. Se diseñará la malla y definirá el calibre de los conductores, teniendo en cuenta las características del terreno. La red de tierra superficial estará constituida por una red de platinas o conductores de cobre desnudo del orden de 70 mm², instalado preferiblemente en las canaletas y bandejas de cables que recorren las diferentes áreas y ambientes de la central. A esta

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El sistema de extinción de incendios para los generadores y equipo principal estará basado en extintores portátiles de polvo químico seco apropiado a los diversos tipos de fuego y ambientes de la central. Sistema de alarmas y detección de incendios. El sistema contará con un sistema electrónico centralizado de alarma contra incendios y detección de incendios para la central hidráulica. XIV.

Subestación de interconexión

La Ingeniería de proyecto toma como base principal los resultados y recomendaciones del Análisis del Sistema Eléctrico cuyo desarrollo es tratado en el capítulo respectivo, además se han considerado los siguientes aspectos necesarios en la definición de la ingeniería de la subestación:

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Viento máximo:

15 m/s

Nivel isoceraúnico:

30 tormentas año

Atmósfera:

limpia

Aislamiento y tensión nominal de los equipos: El aislamiento y la tensión t ensión nominal se determinan de acuerdo con las recomendaciones del Código Eléctrico y Normas Internacionales como la IEC. Se considera que el sistema está con neutro conectado directamente a tierra, es decir que la sobretensión máxima en valor eficaz de fase a tierra no superará el valor de 1.4 de la tensión nominal de fase:

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2.2. Esquema, boceto o croquis del Proyecto Esquema General El esquema general del proyecto se implantará sobre el esquema de la central existente utilizando los terrenos de propiedad de EGEMSA. El proyecto de repotenciación de la central consta de los siguientes elementos: 

Bocatoma en el río Hercca en la misma ubicación de la bocatoma existente, la misma que consiste de un barraje fijo, de concreto masivo y enrocado, muros de encauzamiento sobre ambas márgenes, ventana de captación tipo la teral con reja, canal desgravador con compuerta de purga, canal de captación con compuerta de regulación y reja fina. Todas estas instalaciones para un caudal de captación compatible con las nuevas instalaciones.



Desarenador de una nave, con una longitud adecuada al caudal de diseño, capacidad de

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ANEXOS

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