ANEXOS

361

ANEXO I

EXMENES Y PRCTICAS

PRIMER EXAMEN PARCIAL ELT 3611 CENTRALES

ELCTRICAS

1.- Determinar la precipitacin promedio sobre el rea de la figura

aplicando el mtodo de Thiessen Suponer cada cuadrado de la figura igual a

un kilmetro cuadrado. (25%)

18 mm 15 mm 17 mm

19 mm

13 mm 12 mm

2.- Deduzca las dimensiones ptimas para un canal de seccin rectangular.

(25%)

3.- Mencione los diferentes mtodos que existen para la medicin de la

precipitacin. (10%)

4.- Explique que es una chimenea de equilibrio y para que sirve. (10%)

5.- Mencione 5 de los proyectos inventariados por ENDE que no se

encuentren en funcionamiento. (10%)

b

y

CENTRALES ELCTRICAS

362

6.- Cules son las funciones de la cmara de carga. (10%)

7.- Qu son los pluvimetros y los pluvigrafos y cul es su diferencia

(10%)

SEGUNDO EXAMEN PARCIAL ELT 3611 CENTRALES

ELCTRICAS

1.- Explique el fenmeno de la Cavitacin (10%)

2.- Explique el funcionamiento del siguiente regulador cuando la carga

disminuye. (10%)

3.- Describa y explique el funcionamiento de la turbina de flujo cruzado

(10%)

4.- Cmo se regula el caudal en una turbina Francis. (10%)

5.- Una tubera de fundicin tiene las siguientes dimensiones L = 487 m, e = 12 mm, D= 1,17 m La velocidad en la tubera es V1 = 5,6 m/seg el caudal

es de 2,85 m3/seg. y la altura de carga es de 340 m. Determinar a) El tiempo

de cierre mnimo para que la sobrepresin al final de la tubera no exceda

del 60% de la presin esttica. b) El tiempo en el cual se produce la presin

mxima c) Cul ser la mxima presin que se producir al final de la

tubera si el tiempo de cierre es de 1,85 seg. d) La sobrepresin si el cierre se

ANEXOS

363

produce en 0,8 seg. e) Qu depresin se producir cuando se abra el

distribuidor de la turbina en un tiempo de 3,3 seg., cuando la turbina se

encuentra trabajando al 50 % de la plena carga.

EXAMEN FINAL ELT 3611 CENTRALES ELCTRICAS

1.- Cuando faltan los datos de una estacin, siempre se puede estimar el

valor de la precipitacin tomando el promedio de las tres estaciones ms

cercanas.

Falso porque

.........................................................................................................................

..........

Verdadero porque

.........................................................................................................................

..........

2.- El mtodo de RIPPL sirve para

.........................................................................................................................

.........

3.- Se llaman isoyetas a las curvas que representan el mismo nivel de

descargas atmosfricas

Falso, porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero, porque

.........................................................................................................................

.........

4.- El valor exacto del voltaje generado por el estator es controlado por:

.........................................................................................................................

..........

5.- Para evitar el calentamiento de las chapas del estator por corrientes

parsitas o de Foucault se debe

6.- Puesto que la tensin de un alternador debe mantenerse constante la

intensidad del flujo del campo giratorio es constante

a) verdadero b) falso c) no se puede determinar d) Ninguna

alternativa.

CENTRALES ELCTRICAS

364

7.- Un Pluvigrafo registra la precipitacin instantnea y no permite la

lectura de la misma en cualquier momento posterior.

a) Falso b) Verdadero c) ................................. d) Ninguna

alternativa

8.- El desgaste de las piezas metlicas que estn en contacto con el agua se

debe a:

.........................................................................................................................

..........

9.- La turbina turgo es una turbina de reaccin

a) Falso b) Verdadero c) ..................................d) Ninguna

alternativa

10.- Cuales son las diferencias entre una turbina a gas y una turbina de vapor

.........................................................................................................................

..........

11.- El nmero de labes de una turbina Pelton depende de la frmula

152

a

DN

d , por tanto, es menor cuanto menor es el caudal.

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.........................................................................................................................

.......

12.- Las represas de bveda se instalan con preferencia en lugares de

paredes rocosas y gargantas estrechas .

Falso porque

.................................................................................................................

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

13.- La eficiencia de las turbinas trmicas es mejor para las centrales de ciclo

combinado

Falso Verdadero

.............................................................................

14.- Es conveniente y factible generar la energa elctrica con factor de

ANEXOS

365

potencia unidad

Falso porque

.........................................................................................................................

........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

15.- Escriba los nombres de cinco partes de una central trmica de vapor

.........................................................................................................................

..........

16.- El rel diferencial permite proteger contra cortocircuitos entre espiras

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

17.- En una pequea instalacin de generacin elctrica, a pesar de existir

variaciones de carga se puede generar a potencia constante. Cuando la carga

baja, el excedente de energa se utiliza para calentar el agua de una piscina

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

18.- Qu es el mantenimiento correctivo?

.........................................................................................................................

..........

19.- Se puede adaptar una turbina de avin para generar energa elctrica en

una central trmica a gas

Falso porque

.....................................................................................................................

.........

Verdadero porque

.....................................................................................................................

.........

20.- Escriba los cuatro tiempos del motor diesel

CENTRALES ELCTRICAS

366

.........................................................................................................................

..........

21.- Seale 3 aspectos a controlar o reparar en el mantenimiento de una

tubera

.........................................................................................................................

........

22.- Una turbina de vapor puede trabajar quemando diferentes clases de

combustible el cual es mezclado con el vapor para impulsar la turbina

a) Falso b) Verdadero c) N.A.

23.- En una inspeccin del banco de bateras se ha constatado lquido

insuficiente por evaporacin. Se debe:

a) Aadir agua acidulada b) Aadir cido sulfrico c) Aadir agua

destilada.

24.- Una central trmica de ciclo combinado utiliza los gases de combustin

de la turbina a gas para calentar el agua de una turbina de vapor.

a) Falso b) Verdadero c) N.A.

25.- Un rotor ha adquirido humedad despus de efectuar un mantenimiento.,

el mismo se puede poner en funcionamiento sin necesidad de secarlo puesto

que la temperatura normal de funcionamiento de un generador es elevada y

secar el rotor cuando empiece a trabajar

a) Falso b) Verdadero

26.- En una turbina de vapor se puede recalentar el vapor luego que ste

atraviesa la turbina para volver a utilizar el vapor

Falso porque

..................................................................................................... Verdadero porque

............................,,,,,,,,,,,,,,,,,,,......................................................................

27.- Escriba 9 nombres de centrales elctricas que se encuentran trabajando

en Bolivia.

...................................................

28.- Si se da al canal de aduccin una inclinacin mayor para aumentar la

velocidad del agua en el canal se ahorra en seccin, por tanto el canal resulta

ANEXOS

367

ms econmico aunque se disminuye el salto til, por tanto, no es

conveniente dar mucha inclinacin al canal

a) Falso b) Verdadero c)..

29.- Por qu se comprime el aire de entrada en una turbina a gas

.........................................................................................................................

..........

30.- Dibuje la forma de la seccin del chorro de agua que impacta en la

turbina de Flujo Cruzado.(Corte transversal del chorro, no del rodete)

31.- Por qu se divide el chorro de agua de una turbina Pelton en dos, tres

o ms toberas.?

.........................................................................................................................

32.- Es conveniente que la temperatura del aire de entrada de una turbina a

gas sea la ms elevada posible

a) Falso porque

..................................................................................................... b) Verdadero porque

.......................................................................................... 33.- Seale el valor de para =1,4 y = 2,6 en caso de sobrepresin debida al golpe de ariete.

Respuesta...................

34.- En una tubera que trabaja con H=388 m y carga parcial se ha

determinado

= 2 = 3 Cul es la depresin obtenida? Respuesta ....................

TRABAJOS PRCTICOS

PRCTICA N 1

1. Investigue y explique el funcionamiento de una Central Maremotriz

2. Investigue y explique el funcionamiento de una chimenea de

equilibrio o pozo piezomtrico.

3. Investigue como funcionan la Plantas Hidroelctricas de

acumulacin de Bombeo

4. Explique los siguientes conceptos: Potencia instalada. Factor de

carga. Factor de demanda. Factor de instalacin. Utilizacin anual.

Factor de utilizacin. Factor de reserva. Reserva Rotante, Reserva

CENTRALES ELCTRICAS

368

Fra.

5. Explique qu es un ariete hidrulico y como funciona.

PRCTICA N 2

Utilizando el mtodo de Thiessen y el mtodo de las Isoyetas, determine la

precipitacin promedio sobre las siguientes reas (Considere que cada lado

de los cuadrados tiene 4 Km. y que las precipitaciones estn dadas en mm):

a)

16

13

17

14 9

b)

7 5

11

10 6

9

2.-Suponga una tubera de acero de L=805 m, dimetro de 1,4 m, espesor

de 16 mm. Trabaja bajo una altura de carga de 510 m y un caudal de 12

m3/seg. La velocidad de rgimen es de 18 m/seg. Determinar a) La depresin

que se obtendr cuando se abra el distribuidor en 1,2 seg para un caudal de

0,5 de la plena carga. b) El tiempo de cierre mnimo para que la

sobrepresin al final de la tubera no exceda de 800 m de columna de agua.

ANEXOS

369

3.- Una tubera de fundicin est compuesta de dos tramos el primero tiene

una longitud de 255 m dimetro de 90 cm y espesor 12 mm, el segundo

tramo hacia arriba tiene una longitud de 344 m dimetro de 98 cm y espesor

de 10 mm. Trabaja con una altura de carga de 500 m y un caudal de 5,2

m3/seg. La velocidad de rgimen en la tubera es como promedio 7 m/seg.

Determinar:

a) El tiempo de cierre mnimo para que la sobrepresin al final de la tubera

no exceda de 300 m de columna de agua y el tiempo que demora en

producirse la sobrepresin indicada

b) La mxima presin que se producir al final de la tubera si el tiempo de

cierre es de i) 2 seg ii) 3 seg

c) La depresin que se obtendr cuando se abra la aguja de la tobera en un

segundo para un caudal del 55 % de la plena carga.

4.- Resolver el problema anterior si la tubera es de acero y la altura de carga

disminuye a 445 m con una velocidad promedio de 4,8 m/seg. (los dems

datos se mantienen iguales).

PRCTICA N 3

1. Haga una investigacin acerca de la construccin de tneles para su

aprovechamiento en instalaciones hidrulicas.

2. Explique e investigue acerca de la generacin de Potencia

Reactiva y su regulacin en un generador

3. Investigue de cuntas formas se efecta la ventilacin de los

generadores.

4. Explique cmo se efecta el reparto de la carga de la red entre

dos generadores que trabajan en paralelo.

PRCTICA N 4

Haga un resumen manuscrito del Anexo 2 ABRASIN EN LA

MAQUINARIA DE CENTRALES HIDROELCTRICAS en un

mnimo de 5 pginas

CENTRALES ELCTRICAS

370

ANEXO 2

ABRASIN EN LA MAQUINARIA DE CENTRALES

HIDROELCTRICAS

Autores: Herbert Grez, Andreas Schacheamann (Sulzer Ibnotec)

La explotacin intensificada de la fuerza hidrulica incrementa la bien

conocida erosin hidroabrasiva de las turbinas e instalaciones de centrales

hidroelctricas. Esta erosin hidroabrasiva debe minimizarse a nivel

mundial. Mientras que en las centrales hidroelctricas ya existentes las

contramedidas que se toman tienen un carcter limitado, los nuevos

proyectos de instalaciones ofrecen mltiples posibilidades para dominar el

efecto de la abrasin. Desde hace muchos aos, Sulzer como consorcio

tecnolgico con obligaciones en todo el mundo, viene realizando numerosos

esfuerzos en la colaboracin con los clientes, divisiones de producto y

departamento de investigacin central, al objeto de vencer de modo efectivo

la abrasin. A estos esfuerzos se ha unido el Fondo Nacional de

Investigacin de Energa, con una participacin financiera para la

investigacin de la abrasin.

Fig. 1 Daos ocasionados por las partculas slidas en el agua

Desde los comienzos del aprovechamiento de la energa potencial del agua

glaciar en los pases alpinos, se vienen produciendo daos por erosin

hidroabrasiva que perjudican la disponibilidad de las instalaciones de las

centrales hidroelctricas.

La tendencia al ahorro de los costos en los ltimos aos, que se traduce en la

ANEXOS

371

adquisicin de mquinas cada vez ms pequeas y de mayor nmero de

revoluciones, en la explotacin de saltos ms altos, as como en las

crecientes ampliaciones y construcciones de presas en regiones montaosas

como los Andes o el Himalaya, ha conducido tambin a un aumento de la

erosin por abrasin. Estamos obligados a tomar medidas para minimizar la

erosin por abrasin. En las centrales hidroelctricas existentes, las medidas

que se toman se limitan simplemente a la sustitucin de los componentes

ms resistentes por otro material o bien utilizar recubrimientos ms

resistentes a la abrasin. Como la erosin por abrasin representa una de las

caractersticas de sistema controlada por numerosas magnitudes de

influencia si no es la simple caracterstica del material, las medidas

nicamente basadas en los materiales tan slo ofrecen mejoras limitadas. En

muchos casos, sin embargo, conducen a una disponibilidad satisfactoria de

las instalaciones.

Un tratamiento posterior del agua por sedimentacin mejorada puede reducir

a veces la erosin por abrasin. Tambin ha dado buen resultado el absorber

las capas superiores de agua con menos materia slida y partculas ms

pequeas.

Actualmente, se ofrecen mltiples medidas de ingeniera y de proceso en

instalaciones nuevas en proyecto. Con las medidas adecuadas la abrasin se

puede dominar de tal manera que las instalaciones puedan alcanzar una alta

disponibilidad por muchas dcadas, con gastos de mantenimiento

razonables. Esto requiere de una estrecha colaboracin entre proyectistas y

diseadores, explotadores futuros, institutos de financiacin y

suministradores.

Entre los usuarios de las centrales hidroelctricas tambin se perfila la

tendencia a conseguir garantas de abrasin, que son habituales como

procedimiento obligatorio en las recomendaciones del IEC (International

Electrotechnical Commission), en el caso de los daos de cavitacin.

Por parte de la central, esto requiere un conocimiento y control de la

cantidad de substancias slidas, a veces muy variable en su tipo y

composicin, as como de informaciones sobre el manejo de las mquinas.

En lo que se refiere a la maquinaria, el diseador debe poseer un extenso

Know How de los mecanismos de los daos y los parmetros que pueden

CENTRALES ELCTRICAS

372

influenciar en los mismos. Las tareas del ingeniero abarcan los campos de

fsica hidrodinmica, geologa, ciencias del material, construccin tribologa,

simulacin de procesos y entre otros ms una serie de de campos cientficos

especiales, que llegan a dar resultados eficientes tan slo con la estrecha

colaboracin de los especialistas.

MORFOLOGA DE LOS DAOS EN CENTRALES

HIDROELCTRICAS

La erosin por abrasin que se presenta en centrales hidroelctricas se

origina por agua que contiene entre algunos pocos cientos de gramos y kilos

de substancias slidas. En general se trata de rocas finamente molidas por la

erosin y el transporte y su tamao oscila entre algunos pocos y 100 m de dimetro. No obstante existen fenmenos climatolgicos o geolgicos de tal

magnitud que cargan algunos ros con hasta 350 kg/m3, lo que equivale a

un transporte de lodo. A menudo la sustancia slida se compone de barro

finsimo de poca agresividad, los daos de mayor magnitud observados hasta

ahora se produjeron frecuentemente por aglomeraciones de sustancias

slidas condicionadas por las estaciones, de entre 1 a 5 kg/m3, que eran

predominantemente pedazos de cuarzo del tamao de 50 a 300 m, como suelen aparecer durante el deshielo y las lluvias monznicas.

Las formas caractersticas de los daos en los lugares mas propensos a la

erosin dependen de las fuerzas que influyen sobre las partculas slidas.

Entre ellas se cuentan la potencia de arrastre de la corriente, la corriente

relativa entre partculas y lquido exento de sustancias slidas, la

gravitacin y las fuerzas de elevacin en vertical as como la fuerza de

inercia vertical a la aceleracin transversal de las partculas. Daos

perceptibles en las superficies de los componentes de las mquinas aparecen

en aquellos lugares, donde las partculas slidas de mayor dureza se

presionan contra ellas con suficiente alta velocidad y se arrastran a lo largo

de ella. Se producen entonces rascaduras con desprendimiento de materiales.

(fig. 3)

ANEXOS

373

Fig. 3 Una partcula slida es presionada por la corriente con la fuerza

FpC2/Rw contra una superficie fija y arrastrada a todo lo largo con la

velocidad Vp, con lo que se produce una grieta desprendedora de

material

Las superficies expuestas al ataque de abrasin en los componentes de las

centrales existentes pueden dividirse generalmente en dos tipos: en el rea

de velocidad baja estn las paredes que conducen el agua, de hormign o de

acero no inoxidable, que normalmente est protegido contra la corrosin por

una capa elstica de varios milmetros de espesor.

En el rea de velocidad alta, es decir en los dispositivos distribuidores y

rodetes, las superficies son de acero brillante, preferentemente de martensita

blanda resistente a la corrosin. La Austerita y los aceros de manganeso no

inoxidables poseen la resistencia a la corrosin muy inferior.

En velocidades relativas bajas, fuerzas de presin inferiores (pocos cambios

de direccin de la corriente) y poca masa de partculas, la energa de

destruccin es menor que en el choque o bien en el arrastre, quedando

posiblemente absorvida por la elasticidad de la superficie del material de

las mquinas. Debido a las velocidades inferiores no se presentan daos de

abrasin en los tubos conductores (tuberas de impulsin) y en tuberas

circulares as como en espirales de superficies suficientemente

dimensionadas.

Siguiendo la direccin de la corriente aparecen ahora nervios o paletas de

apoyo, que en determinados casos desempean la funcin de gua de

corriente. Aqu, segn la diferencia de la dureza y velocidad relativa se

CENTRALES ELCTRICAS

374

esperan daos muy reducidos y hasta sin importancia en los bordes de

entrada, en la periferia, posiblemente tambin en sus superficies.

Fig 4 Aguja de tobera erosionada Fig 5 Anillo de tobera Pelton

desgastado

En las superficies de los tubos conductores de las turbinas, en las que la

velocidad de la corriente aumenta en el sentido de la corriente, aparecen las

tpicas muestras acanaladas de la erosin de la superficie. Las puntas de

tobera (fig. 4) y los anillos de las toberas (fig5) de la turbina Pelton se

desgastan en los puntos de mxima velocidad local y cambio de sentido de la

corriente. Los labes de gua de la mquina radial (fig. 6) muestran en la

mayora de las veces una erosin de superficie tan slo en las superficies que

estn cara al rodete. A ello se une una serie de efectos secundarios. Por una

parte es la corriente de separacin que, entre las caras frontales de los labes

mviles y la contratapa firme, produce daos considerables debido a la alta

velocidad relativa (fig. 8) . Por otra parte delante de los bordes de entrada de

los labes, como en la periferia del anillo de proteccin, puede observarse

una formacin de un crter (fig. 9), tambin llamado efecto pilar, cuyo

origen de buscarse en la formacin de remolinos. Estos remolinos en forma

de herradura se observan en todos los cortes de pilares, perfiles, barras, etc.

Con paredes llanas. (fig. 10)

ANEXOS

375

Fig. 6 Superficies de abrasin en la cara anterior de un labe directriz

de una turbina Francis de acero inoxidable

Socavados de tal origen se hallan tambin en los bordes de entrada de ruedas

radiales. Los Canales de los rodetes mismos presentan huellas de erosin de

superficie (fig. 12 y 13), que difieren en uniformidad segn la respectiva

velocidad del lugar y el cambio de direccin.

Fig.8 Abrasin en el anillo inferior Fig.9 Formacin de crter delante

de la rueda directriz del borde de entrada del labe

Erosin progresiva del material en superficies, bordes de entrada, paredes

laterales, etc. Provocan una superposicin recproca de los daos

individuales, por la que pueden surgir retrasos y adelantos adicionales con

determinadas formaciones de remolinos, que finalmente acaban con la

destruccin total del componente de la mquina (figs. 13 y 14).

Asimismo, son importantes los daos de abrasin ocasionados en las juntas

labernticas (fig.15), cuyas alteraciones geomtricas no slo aumentan las

perdidas por fuga, sino que tambin alteran la fuerza axial hidrulica que se

ejerce sobre el rotor y con ello la carga del soporte de empuje. Por

consiguiente, existe un gran inters por formas y materiales de laberinto de

CENTRALES ELCTRICAS

376

mayor resistencia abrasiva.

Fig 10 Corriente de interseccin en el borde de entrada con una pared

lateral, mostrada aqu con el ejemplo de un cilindro

Fig. 12 Superficie de abrasin en la Fig.13 Sup. Abrasin en

cangiln Pelton

parte de aspiracin del labe y

corona del labe de turbina Francis

CRITERIOS PARA EL PROYECTO DE INSTALACIN

Si antiguamente las centrales hidroelctricas se planificaban y optimizaban

para agua limpia como lquido de funcionamiento, basndose solamente en

una determinada cantidad de agua y una determinada altura de salto, sin

considerar los posibles daos de abrasin, en el futuro merecer asimismo

llevar a cabo el anlisis de las propiedades de las sustancias slidas.

El tratamiento primario de la erosin comienza por la sedimentacin en los

depsitos de retencin, que requieren un lavado adecuado, puesto que de no

ANEXOS

377

ser as, tarde o temprano, los sedimentos.colmatan el depsito Las enormes

cantidades de material transportadas por los ros tropicales en los periodos

monznicos, `por ejemplo, se previenen con desarenadotes de lavado

continuo, que ante todo separan partculas de un tamao de 0,3 mm.

Fig.14 Daos totales en una rueda Pelton como consecuencia de una

reduccin progresiva del grosor de la pared por abrasin

La comparacin de los anlisis granulomtricos de diversos afluentes de

centrales hidroelctricas, indican las caractersticas comunes, siendo los del

Himalaya los que muestran una tendencia a una arena ms gruesa.

CUNTAS TURBINAS Y DE QUE TIPO?

Para la planificacin de una central misma es prioritario llegar a un acuerdo

acerca del nmero de mquinas. Para ello es necesario compaginar el

volumen de inversin, con la disponibilidad de una reserva mnima, en caso

de que faltara una unidad, y la exigencia de un funcionamiento ms o menos

ptimo de las mquinas en peligro de abrasin. La seleccin del tipo de

mquina se efectuar segn el rea de aplicacin condicionada por la

hidrodinmica y la resistencia de los diferentes modelos de construccin, en

funcin de la altura de salto, es decir, por ejemplo, turbinas axiales para el

mbito de mxima presin. En los mrgenes de la altura de salto, en las que

coincide la aplicacin de los dos modelos, puede tomarse la decisin por

otros criterios.

Las mquinas radiales parecen ser muy propensas a la erosin, puesto que el grado de rendimiento de la turbina reacciona de

manera especial y con gradiente empinado a aumentos de juego

entre los labes y sus anillos protectores. No obstante, el agua

CENTRALES ELCTRICAS

378

arenosa tambin reduce el grado de rendimiento de las mquinas no

erosionadas en proporcin al contenido de las sustancias slidas.

La cavitacin debe evitarse o bien reducirse al mnimo, puesto que el efecto simultaneo de abrasin y cavitacin produce una

potenciacin recproca de los mecanismos dainos. Por un lado, las

partculas slidas incrementan la capacidad de evaporacin local del

lquido y favorecen la cavitacin. Por el otro, la erosin provoca que

la geometra de los bordes de entrada empeoren hacia una mayor

sensibilidad a la cavitacin. A su vez si el agua contiene substancias

slidas, la distribucin de la presin de un perfil cavitante se altera

de tal modo que la zona de cavitacin pueda aumentar.

El proceso de erosin se acelera considerablemente, si por razones de

cavitacin de las superficies de los perfiles, estn rayadas, o bien, socavadas

como un corcho, puesto que las islas de material que sobresalen en la

corriente estn expuestas a un desgaste erosivo mucho mayor que las

superficies lisas.

Los costos de construccin para centrales hidroelctricas equipadas con

turbinas Francis pueden incrementar por la exigencia de una cota de

instalacin conservadora baja que evite cavitaciones.

Otro criterio para la seleccin del tipo pueden ser las posibilidades de recambio o reparacin de piezas en la mquina desgastadas que

aqul ofrezca. En el margen de coincidencia Francis/Pelton este

argumento habla claramente a favor de la mquina Pelton, cuyas

piezas desgastadas son de rpida sustitucin, si se comparan con el

procedimiento aparatoso en las turbinas Francis. A ellos e une la

posibilidad de reparacin ms simple del soldar.

Un inconveniente de la turbina Pelton es, sin embargo, la mayor inversin

inicial causada por las revoluciones inferiores del grupo de mquinas. Por

ello tambin pueden resultar encarecimientos en la construccin. No

obstante, su curva caracterstica de rendimiento ms llana indica que la

prdida energtica queda ms que compensada debido a la altura libre entre

la turbina Pelton y el nivel inferior.

ANEXOS

379

CRITERIOS DE TCNICA MECNICA

Si bien en el transcurso de la planificacin de las instalaciones, el

constructor ha seleccionado el modelo de construccin, potencia unitaria y

revoluciones, aun le restan una serie de opciones que elegir, para configurar

las mquinas con bajo grado de abrasin. Los criterios del proyecto debern

aclararse previamente con el futuro usuario y responsable de la inversin.

Del mismo modo que en el planeamiento de las instalaciones, debe

examinarse si se prefiere una inversin inicial inferior, excluyendo en la

evaluacin los trabajos de mantenimiento, o si es preferible realizar un

clculo de gastos total para un tiempo determinado como base decisiva.

DIMENSIONAMIENTO Y COSTRUCCIN

Desde el punto de vista de la fsica, las secciones transversales de las piezas

conductoras de corrientes de agua, como las tuberas de impulsin, los

rganos de cierre, las espirales y entradas, y las dimensiones tanto de la

turbina directriz como de las toberas, debern elegirse de tal magnitud, que

los daos por erosin en los materiales se mantengan en un mnimo, bajo las

condiciones dadas de la corriente. Mientras que en agua de servicio exento

de las sustancias slidas deben tenerse en cuenta los contornos hidrulicos,

las prdidas mnimas de corriente y el rendimiento mximo posible, las

mquinas expuestas a sustancias slidas deben disearse siguiendo criterios

de mnima erosin. Segn se valoren los criterios, esto puede suponer una

leve prdida del rendimiento.

En todo caso, la conduccin de la corriente debe seleccionarse de tal manera

que exista la menor cantidad de cambios de direccin y se eviten

desprendimientos y remolinos, para que dentro de la mquina y de los

rganos de cierre no se formen trampas arenosas que pudieran llenarse de

sustancias slidas. Las grietas circuladas deberan evitarse, obstruirse con

juntas o minimizarse en su largura. En caso de que se disponga de agua

exenta de sustancias slidas, o exista la posibilidad de prepararla

econmicamente, los laberintos o retenes para ejes debern poderse lavar

contra la corriente, en un caso dado slo temporalmente, cuando se

presenten sustancias slidas en gran cantidad.

Los perfiles de los labes de las mquinas radiales y axiales deben disearse

segn el criterio de una distribucin de presin lo ms llana y continua

posible, teniendo en cuenta que por el clculo de las trayectorias de las

CENTRALES ELCTRICAS

380

partculas slidas pueden resultar condiciones restrictivas para el servicio:

Esto afecta tanto al aspecto de carga como al de altura del salto.

Una exigencia principal a la construccin es el rpido recambio de piezas de

mquinas desgastadas. Aqu deben tenerse especialmente en cuenta aquellos

componentes, en los que aparecen las mayores velocidades relativas o

aceleraciones transversales ms grandes. En comparacin, en las mquinas

Pelton esto es bastante simple y rpido con el cambio del rodete, de la aguja

y del anillo de la tobera.

Para sustituir los collares del laberinto, los labes y sus anillos protectores,

que son las piezas ms afectadas de las mquinas radiales, es necesario

desmontar la mquina entera hasta la espiral, a menudo alojada en

hormign.

El desmontaje del rodete por la parte del generador o por la parte del tubo

aspirante, hace imprescindible el desmontaje de piezas importantes, por lo

que es necesario invertir ms tiempo en el nuevo y esmerado montaje, y en

el reajuste de los juegos deseados y de las piezas de ajuste revisadas.

EL FUNCIONAMIENTO PTIMO MINIMIZA LA ABRASIN

Segn el modo de funcionamiento y de aplicacin se puede ejercer una gran

influencia tanto en los daos locales como en la completa erosin por

abrasin de lavado de una central hidroelctrica. Por ejemplo, para una

central hidroelctrica con mquinas radiales con una potencia suministrada

determinada, la abrasin ser mnima, si la potencia se produce por una o

pocas mquinas. De esta manera es posible obtener un rendimiento ptimo,

lo que produce mnimas prdidas, mnimas velocidades relativas en el

mbito de la corona directriz y ptimos ngulos de ataque de la corriente. En

cambio, el funcionamiento parcial de un mayor nmero de mquinas con la

misma potencia sumada produce velocidades relativas elevadas en la corona

directriz, mayores prdidas de impulso en las rejillas de los labes gua y de

las paletas, y en total un grado elevado de turbulencias. Un efecto anlogo

surge en las centrales hidroelctricas Pelton en las que la velocidad relativa

local no depende o apenas depende de la carga de la mquina. Asimismo, la

frecuencia de contacto de las partculas slidas con la superficie de la

mquina mojada en el mbito de la aguja de la tobera y del rodete influyen

muy poco en el rendimiento de la mquina. No obstante, el reparto del

ANEXOS

381

rendimiento en una central hidroelctrica en muchas mquinas que trabajan

en servicio de carga parcial, tambin producir un perjuicio integral de la

central que el servicio de pocas mquinas a plena carga.

MECANISMOS DE DAOS Y SU ANLISIS

El proceso de hidroabrasin viene ocasionado especialmente por el

transporte de partculas slidas abrasivas prximas a una pared. Una parte de

las partculas slidas que el agua transporta por una mquina hidrulica

fluyen prximas a la superficie por la fuerza centrfuga: Al chocar contra la

pared se producen contactos con arranque de material que refrenan las

partculas. Los procesos de intercambio turbulentos hacen que las partculas

slidas vuelvan a alcanzar zonas de alta velocidad de corriente, se aceleren y

se disparen nuevamente contra la pared. La investigacin experimental de

este proceso de abrasin exige la reconstruccin del equilibrio de fuerzas de

las partculas slidas que existe cerca de la pared, en relacin a las fuerzas

de capa lmite. De esta manera se podrn realizar comparaciones entre los

resultados experimentales y las afirmaciones tericas sobre el

comportamiento de la abrasin de las `partculas.

La Planta de experimentos SAPHYR (Sandabrasions Prfanlage fr

Hydraulische Radialmaschinen) montada en Sulzer Innotec corresponde en

gran parte a exigencias hechas. El concepto de instalacin de ensayo permite

un rpido anlisis del comportamiento de abrasin de diversos materiales

bajo condiciones equiparables a las instalaciones. Tal como se puede

apreciar en la (fig. 23),la superficie de prueba muestra acanaladuras como

las que aparecen tambin en piezas de mquina erosionadas de una central

hidroelctrica (fig. 6) La gran ventaja que ofrece la instalacin es que los

parmetros de ensayo ms importantes se pueden variar bajo control, lo que

CENTRALES ELCTRICAS

382

permite cuantificar la influencia de estos parmetros y deducir las

correlaciones que pueden utilizarse en el dimensionamiento de las mquinas.

Fig. 23 Parte del estator erosionado con Fig. 24 rea de

ensayo bajo el

Pruebas de material microscopio

electrnico

CONDICIONES DE ENSAYO

La seccin transversal por la instalacin de ensayo (fig 22) ilustra el

principio del funcionamiento. Una bomba se ocupa de que agua mezclada

con arena corra por una rendija entre el rotor en funcionamiento rpido y el

estator equipado con las pruebas de material (fig. 23). Se va formando una

corriente de Couette, en la que las partculas slidas se transportan a la

superficie de las pruebas de materia para originar all una erosin por

abrasin. El uso de tres partes con radios diferentes permite variar la

velocidad caracterstica y las fuerzas centrifugas variando con ello tambin

la intensidad de abrasin. Tal como se muestra en la figura 25, debe

separarse el agua arenosa de las reas de los cojinetes mediante una junta de

retencin del agua. El agua fresca necesaria diluye la concentracin arenosa

en el circuito condicionando la disposicin de un rebosadero. Para que la

concentracin. Para que la condicin arenosa pueda mantenerse constante,

se aade continuamente arena al circuito garantizndose al mismo tiempo el

intercambio de arena. La arena que circula en el circuito procede de la

entrada de una central de grupo de hidroelctricas Grande Dixence (Suiza)

(fig. 24), y por supuesto tambin se redondea oir efectos de ka erosin,

debiendo ser sustituida continuamente (fig. 25).

ANEXOS

383

Los datos de funcionamiento seleccionados para la mquina permiten una

aceleracin esencial del proceso de abrasin frente a los ensayos en

instalaciones. En la ltima fase se alcanza una velocidad de 80 m/seg en el

centro de la grieta, con unas revoluciones del rotor mximas de 22500 min-1

,

lo que significa una aceleracin centrfuga de 8600 g. Estos valores

solamente se alcanzan en instalaciones Pelton con elevada cada. Al mismo

tiempo se experimenta en la instalacin de ensayo con una concentracin de

arena de 1 a 7 kg/m3. Segn los resultados obtenidos en medidas continuas

de contenidos de arena en centrales hidroelctricas (fig 25), estos valores son

tan slo alcanzables en pocos das del ao. Por ello los valores de abrasin

que se miden en las hidroelctricas durante un ao pueden obtenerse en la

instalacin de ensayo entre 10 y 20 horas: Un anlisis de dimensionamiento

ha demostrado que los parmetros caractersticos del material de pared, las

caractersticas de material y composicin de la arena, la velocidad de

corriente, el radio de curvatura de la pared o bien la aceleracin centrfuga

as como la concentracin arenosa en proximidad de pared, son decisivos

Fig. 25 Esquema de circulacin

en la instalacin de ensayos

de SAPHYR

CENTRALES ELCTRICAS

384

para el proceso de abrasin.

EFECTOS DE ARENAS DIFERENTES EN EL MATERIAL BSICO

Materiales bsicos

En la instalacin de ensayo SAPHYR era posible controlar y variar tanto los

parmetros de corriente como las propiedades de la arena de manera

reproducible. En la primera serie de ensayos se vari la velocidad de la

corriente y la concentracin de arena mediante el material GX5 CrNi134 y

arena natural, obtenida de un desarenador del embalse regulador Stafel

(Grade Dixence) la figura 27 muestra, que la abrasin de material es casi

proporcional a la concentracin de arena y que aumenta con la tercera

potencia, la velocidad (fig. 28) . Otra serie de ensayos trataba de la variacin

de la calidad de arena, en la que se utilizaron arenas puramente cuarzosas

con mayor proporcin de peso actan de manera ms agresiva en fracciones

rudas.

Los datos obtenidos sirven para la comprobacin de un modelo que,

partiendo de un anlisis hidromecnico del comportamiento de las

partculas, cuantifica el proceso de abrasin. La figura 29 muestra una

comparacin de cifras de abrasin para GX5 CrNi134, calculadas y medidas

en la instalacin de ensayo. Con ayuda de mediciones realizadas en

mquinas usadas se comprobar y se ampliar este modelo. Con ello, en el

futuro ser posible calificar el peligro de erosin de las mquinas an en fase

de proyecto y tomar las medidas correspondientes.

ANEXOS

385

CAPAS PROTECTORAS RESISTENTES A LA EROSIN

De manera muy diferente debe juzgarse el comportamiento de la erosin en

capas protectoras resistentes al desgaste erosivo. Aqu, los puntos de partida

comunes para predecir el comportamiento de la abrasin ya no tienen la

misma validez que tenan en otros materiales bsicos. En este caso hay que

tener en cuenta las caractersticas especficas del recubrimiento y su

aplicacin. Tanto en la instalacin de ensayo como en un rodete Pelton de la

hidroelctrica Zermatt (Suiza) se realizaron unos ensayos llamados arco iris,

que abarcan de 16 a 18 materiales bsicos distintos, y tambin se

comprobaron diversos recubrimientos con diferentes tcnicas de aplicacin,

para obtener aclaracin sobre el comportamiento de capas del metal duro y

de la cermica de proteccin trmica.

En la instalacin de ensayo se examinaron los siguientes tipos de

recubrimiento bajo las mismas condiciones que el material bsico GX5

CrNi134:

Capas de Cermica Capas de metal duro

5XH 40 5XH 54

5XH 47 5XH 53

5XH 48 5XH 60

En esfuerzos bajos y medianos (primera y segunda fase de SAPHYR) ambos

tipos de recubrimiento mostraban una resistencia a la erosin similar. El

arranque de material se redujo por el factor 50 frente al material bsico.

Durante el elevado esfuerzo de la tercera fase, las capas de cermica eran

claramente inferiores a las capas de metal duro. La mejor capa de material

duro dio como resultado por el factor 90 frente a GX5 CrNi134. Los ensayos

en la hidroelctrica Zermatt dieron un resultado similar. Aqu tambin se

obtuvieron los mejores resultados con capas de metal duro. No obstante, se

ha demostrado que la aplicacin esmerada de cada capa es esencial para la

longevidad de las capas protectoras. Estas tan slo alcanzarn una ptima

funcin protectora si la base ha sido cuidadosamente limpiada y preparada, y

si en la aplicacin se respetan los parmetros de proyeccin ptimos. Si por

errores de proyeccin partes de las capas sufrieran daos prematuros se

podran producir enormes daos, puesto que por el rpido avance de la

erosin de las capas protectoras del material bsico quedaran socavadas y se

soltaran. (fig. 30)

CENTRALES ELCTRICAS

386

ANEXOS

387

Fig 30 Piezas daadas por abrasin y cavitacin de la planta de La

Chojlla

SELECCIN DE MATERIALES BSICOS Y DE CAPAS

PROTECTORAS DE SUPERFICIE PARA INSTALACIONES

NUEVAS Y PIEZAS DE RECAMBIO.

La experiencia ha demostrado que para la produccin de componentes de

mquinas poco afectadas por la abrasin, como espirales, cajas, conductos

de espirales, y tubos aspirantes pueden emplearse aceros de construccin

corrientes o materiales de fundicin de resistencia adecuada, para recubrir su

superficie mojada por una capa viscoelstica. Hay varios plsticos en base a

epoxy y de poliuretano que han dado buen resultado. Estas son aplicables y

recomendables tanto en piezas nuevas como en piezas usadas. Para rodetes,

labes directrices, anillos protectores de la corona directriz y laberintos, la

martensita blanda inoxidable GX5CrNi134, o martensitas equivalentes con

proporciones de cromo del 13 al 17% y de nquel del 4 al 6% son los ms

adecuados. Esta categora de aceros rene, aparte de la alta tenacidad,

elevado lmite de elasticidad y dureza, con una considerable resistencia a la

abrasin y cavitacin, buenas propiedades de soldadura y mecanizacin. En

proporciones extremas de sustancias slidas, la duracin puede aumentar

enormemente con un recubrimiento. Sin embargo, se llevan empleando con

xito desde hace aos, las capas finas de cermica, que no resisten carga

pulstiles y por ello tampoco a los ataques de la cavitacin. Para optimizar

de una forma econmica los recubrimientos de las piezas inoxidables nuevas

con cermica se recomienda someterlas al funcionamiento con superficies no

recubiertas durante un determinado tiempo, para reunir ciertas experiencias

como lugar y desarrollo temporal de los daos de abrasin, para poder

efectuar a continuacin los recubrimientos adaptados al mecanismo daino.

CENTRALES ELCTRICAS

388

ANEXO III

RELACIN DE PRECIOS DEL GAS NATURAL PARA LA

GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA Y PARA LA

EXPORTACIN

VOLMENES COMERCIALIZADOS AL MERCADO INTERNO

POR SECTOR A 60F (MMm3/da)

* Incluye: industrias conectadas directamente a la red troncal de transporte,

consumidores propios del Sector hidrocarburos como refineras, estaciones

de bombeo y Planta de Compresin Ro Grande, adems de las Estaciones

de Servicio de gas natural que tienen contrato directo con YPFB.

Fuente: Gerencia Nacional de Comercializacin Direccin Nacional de Gas Natural

Nota: Valores actualizados en febrero de 2013

En la estructura del mercado interno, el Sector Elctrico es el mayor

consumidor de gas natural, registrando en el ao 2012, un volumen de

consumo promedio de 4,18 MMm3/da que represent el 47,98% del

consumo total de gas natural. Le siguen los Sectores Residencial, Comercial,

Industrial y de Transporte Vehicular que en conjunto tuvieron un consumo

promedio 3,98 MMm3/da lo que represent el 45,59% del consumo total.

Finalmente, el Sector Consumidores Directos y Otros tuvo un consumo

ANEXOS

389

promedio de 0,56 MMm3/da, lo que represent el 6,43% del consumo total.

En promedio el Consumo del mercado interno durante la gestin 2012,

alcanz a 8,72 MMm3/da, lo que significa un incremento del 3,37%

respecto a la gestin anterior.

PRECIOS FINALES DE GAS NATURAL DEL SECTOR

ELCTRICO

A continuacin se muestran los volmenes y precios de exportacin de la

gestin 2012

CENTRALES ELCTRICAS

390

Los volmenes exportados al mercado del Brasil a travs del contrato YPFB

Petrobras (GSA) mostraron importantes incrementos y cadas a lo largo de la gestin 2012, registrndose un incremento de 58% entre el promedio de

los volmenes del mes de enero y los del mes de diciembre. Los volmenes

ms bajos se registraron los das de 27, 28 y 30 de enero en un promedio de

17,1 MMm3. Asimismo, el volumen ms alto fue de 31,8 MMm

3 y se

registr el da 25 de febrero.

Los volmenes exportados al Mercado de Argentina a travs del contrato

YPFB ENARSA mostraron un incremento de 40% entre el mes de enero y el mes de diciembre. Los volmenes ms bajos alcanzaron un valor de 11,7

MMm3 y 3,7 MMm

3 registrados los das 22 y 23 de octubre debido a que

conflictos internos en Argentina no permitieron la entrega de mayores

volmenes. Asimismo, el volumen ms alto se registr el 13 de agosto con

16,45 MMm3.

PRECIO PONDERADO DE VENTA DE GAS NATURAL AL

BRASIL CONTRATO YPFB - PETROBRAS ($US/MMBtu)

PRECIO DE VENTA DE GAS NATURAL A LA ARGENTINA

CONTRATO YPFB ENARSA ($US/MMBtu)

ANEXOS

391

Los precios de gas natural en el mercado interno fluctan entre un nivel

mximo de 1,9768 $us/Mpie3 y un nivel mnimo de 0,57 $us/Mpie

3, en

funcin al sector de destino y la normativa empleada en cada caso, siendo el

Sector Elctrico en el que se aplican los mayores precios y el Sector

Residencial, Comercial, Industrial y Transporte Vehicular en el que se

aplican los menores precios.

El precio de gas natural para el Sector Elctrico en el punto de entrega, al

ingreso de la planta termoelctrica, es igual a 1,30 $us/Mpie3. Para

generadoras pertenecientes al Sistema Interconectado Nacional y para

generadoras pertenecientes al Sistema Aislado el precio vara entre 1,02

$us/Mpie3 y 1,9768 $us/Mpie

3.

El precio de gas natural que es entregado a las empresas distribuidoras en

Puerta de Ciudad (city gate), cuyo destino son los Sectores Residencial,

Comercial, Industrial y Transporte Vehicular, es de 0,98 $us/Mpie3. Slo en

el caso de la Empresa Tarijea del Gas S.A.M. Carapari, es de 0,57 $us/Mpie

3.

Asimismo, los precios de gas natural para consumo propio del sector

hidrocarburos como combustible en transporte varan entre 1,0108

$us/Mpie3 y 1,4208 $us/Mpie

3 y para el uso como combustible en refinacin

es de 1,31 $us/Mpie3.

CENTRALES ELCTRICAS

392

Es de especial inters que el lector haga una comparacin de los precios de

exportacin con relacin a los precios que tiene el gas natural para el sector

elctrico, para ello es necesario conocer las equivalencias de la unidad BTU

a pies3

BTUs (Unidades Trmicas Britnicas)

Las BTUs o Unidades Trmicas Britnicas miden la energa en el gas

natural. Un BTU equivale al calor requerido para elevar la temperatura de

una libra (0,45 litros) de agua a 1 grado Fahrenheit (-17,22 grados Celsius).

La cantidad de calor en un fsforo de madera encendido es

aproximadamente igual a un BTU. Un pie cbico (0,02 metros cbicos) de

gas natural tiene 1,015 BTUs. Esto se compara con un galn (3,78 litros)

de propano que contiene 91700 BTUs y 1 kW (1,34 HP) de electricidad que

contiene 3413 BTUs.

ANEXOS

393

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