Teoría Centrales Hidroeléctricas

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TEORIA CENTRALES HIDROELECTRICAS 1. Definición y Clasificación. 2. Partes de una Central Hidroelectrica y Estudios Previos. 3. Presa. 4. Obras.

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  • TEORIA CENTRALES HIDROELECTRICAS

    1. Definicin y Clasificacin. 2. Partes de una Central Hidroelectrica y Estudios Previos. 3. Presa. 4. Obras.

  • DEFINICION DE LAS PLANTAS DE GENERACION

    Infraestructura civil, de equipos mecnicos y elctricos. empleados para aprovechar la energadel agua y convertirla o transformarla en energa elctrica.

    (Potencia en bornes de generador) P = Hn * 9.8 m/s * Q * *

    H = altura o cada bruta (m)

    Hn = altura o cada neta (m) = H prdidas de cada.

    Q = caudal (m/s)

    = densidad del agua (Kg/m) = eficiencia del turbogrupo m * m/s * m/s * Kg/m Kg * m/s Kg * m/s * m/s (Kg * m/s): F = Fuerza (m/s): V = Velocidad Las turbinas modernas permiten rendimientos superiores al 90% - 93%

    Los generadores modernos presentan rendimientos en el entorno del 95% - 97%

    Los transformadores de potencia presentan eficiencias del orden del 99%

    MICROCENTRAL: Capacidad instalada 50 KW MINICENTRAL: 50 KW < Capacidad instalada 500 KW PEQUEA CENTRAL: 500 KW < Capacidad instalada 5 MW

    CLASIFICACION DE LAS PLANTAS HIDROELECTRICAS

  • CENTRALES FILO DE AGUA:

    Son centrales con embalses muy pequeos, prcticamente utilizan el agua necesaria en lasturbinas para su potencia mxima, si llega un caudal superior por el ro, es necesario botar elagua en exceso. Los embalses, en estas centrales permiten regulacin del caudal horaria,diaria y en algunos casos semanal. En verano, prcticamente solo queda el flujo base. No sepuede optimizar la generacin. Trabajan muy bien cuando se encuentran interconectadasporque contribuyen con la optimizacin de las plantas con embalse de regulacin. (BajoAnchicay)

    CENTRALES CON EMBALSE DE REGULACION:

    Son centrales con embalses de considerable capacidad; esto permite el almacenamiento deuna cantidad apreciable de agua que se aprovecha posteriormente por la central en la formams conveniente, permite optimizar la generacin. Los embalses en estas centrales permitenla regulacin del caudal mensual, anual y aun multianual. (Salvajina)

    CENTRALES DE GENERACION:

    Su funcin nica es la generacin de energa elctrica. (Alto Anchicay)

    CENTRALES DE PROPOSITO MULTIPLE:

    Adicional a la generacin de energa elctrica, cumplen con otros propsitos como el decontrol de la contaminacin, acueducto, regulacin de caudal aguas abajo, control deinundaciones, etc. (Salvajina)

    PLANTAS AISLADAS:

    (Desde el punto de vista hidrulico): Es la nica central hidrulica montada en la cuenca de un

  • ro. (Salvajina, Betania)

    PLANTAS EN CASCADA:

    Cuando sobre un mismo ro se encuentran varias centrales. (Alto y Bajo Anchicay)

    CENTRALES EN CASCADA EN TANDEM:

    Cuando el agua turbinada en la central aguas arriba (superior) sirve para generar en la centralaguas abajo (inferior).

    CENTRALES DE CAIDA CON CONDUCCION LARGA:

    Cuando la casa de mquinas queda retirada del embalse, por lo tanto la central posee untnel de conduccin de varios kilmetros para llevar el agua hacia la casa de mquinas. (AltoAnchicay)

    CENTRALES PIE DE PRESA:

    Son aquellas en las cuales la casa de mquinas queda al pie de la presa, entonces noprecisan de tnel de conduccin sino que solo tienen penstock o tubera de presin. La casade mquinas puede ser superficial (Salvajina) o subterrnea (Calima).

    FACTORES DE SERVICIO UTILIZADOS EN PLANTAS

    FACTOR DE PLANTA:

    Es una indicacin de la utilizacin de la capacidad de la planta en el tiempo. Es el resultado dedividir la energa generada por la planta, en un periodo de tiempo dado (generalmente setoma anual), sobre la energa que hubiera podido generar la planta si lo hiciera a plena cargadurante todo el perodo. Ejemplo:

    Planta Alto Anchicay, Potencia mxima 345 Mw

    Energa que hubiera podido generar la planta en un ao si lo hiciera a plena carga

    = 345 Mw * 365 das/ao * 24 horas/da = 3022200 Mwh/ao = 3022.2 Gwh/ao

    Suponiendo que el Alto Anchicay hubiera generado en ese ao 1964430 Mwh el factor de planta sera:

    FP = 1964430 Mwh / 3022200 Mwh = 0.65 65% FACTOR DE CARGA:

    Se define como el cociente de la potencia promedio durante un periodo de tiempo sobre la potencia pico presentada en ese mismo perodo de tiempo.

    FC = Potencia Promedio / Potencia Pico

  • El factor de carga da una idea de la racionalidad en el uso de la capacidad instalada en unsistema. Un factor de carga alto (cercano a la unidad) indica un uso racional y eficiente de lacapacidad instalada.

  • PARTES QUE CONFORMAN UNA CENTRAL HIDROELECTRICA

    PRESA:

    Es la estructura central de una planta.

    Entre sus funciones estn:

    z Incrementar la cada z Retener sedimentos que trae el flujo o el ro. z Almacenamiento de agua para lograr regulacin o para poder generar en pocas de baja

    hidrologa.

    CONDUCCION:

    Son los tneles y canales (en el caso de PCHs), tubera de carga, empleados para llevar elagua hacia la(s) turbina(s).

    CASA DE MAQUINAS:

    Es el lugar en donde se encuentran los equipos encargados de realizar la transformacin de laenerga del agua en energa elctrica. Generalmente se ubican en la casa de mquinas: La(s)turbina(s), generador(es), transformador(es) de potencia y equipos auxiliares de la planta.

    PATIO DE CONEXIONES:

    Se encuentran ubicados, en este sitio, los interruptores y seccionadores, el barraje,pararrayos, transformadores de corriente y potencial y las lneas de interconexin que salende la planta, para conectarla al sistema nacional o a la carga.

    ESTUDIOS PREVIOS PARA LA DETERMINACION DE LA CENTRAL

    Con base en las proyecciones de demanda de energa y potencia, se identifica la necesidadde entrada en operacin de nuevos proyectos de generacin.

    Se efectan estudios de los recursos hdricos existentes en donde se delimitan las cuencas,reas de drenaje, precipitaciones, medicin de caudales, etc. Las cuencas se delimitanmediante estudios topogrficos y de fotogeologa. Con las reas de drenaje se emplea lacartografa.

    El flujo de agua es afectado por el clima. La cantidad de lluvia y la temperatura sonimportantes. Las caractersticas del suelo sobre el cual llueve antes de que se efecte eldrenaje hacia el cauce de agua, llamada rea de drenaje, poseen una gran influencia. El tipode suelo y su estructura es fundamental, la cantidad y variedad de vegetacin y los patronesde uso del suelo tienen efecto sobre la proporcin del agua lluvia que alcanza el cauce deagua (escorrenta).

    La cantidad de agua perdida por la evapo-transpiracin (efecto combinado de la evaporacin directa y de la evaporacin que sigue a la absorcin hecha por las plantas) tpicamente puede

  • ser 1/3 de la lluvia que cae. En adicin al conocimiento de la cantidad de agua que fluye,debemos saber cmo vara sta a lo largo del mes, meses y aos con anterioridad a laescogencia de una turbina y un generador para un sitio particular.

    r = Rendimiento especfico.

    A = Area donde caen las lluvias que luego drenan hacia el cauce de agua.

    Q= Caudal medio.

    Precipitaciones:

    Orogrfica: Se presenta por barreras naturales, cordilleras, etc.

    Convectiva: Acumulacin de aire, conveccin de corrientes de aire. Es una lluvia local.

    La lectura de las precipitaciones se efecta con pluvimetros. El registro con Pluvigrafos.

    Algunas formas de medicin de la precipitacin media son:

    z Promedios:

    z Thiessen:

    MEDICION DE CAUDALES:

    [m/seg]. La seccin del ro para hacer la medicin (aforo) debe ser estable desde el punto de vista geolgico.

    V0,2 0,2 h

    V0,6 0,6 h

    (V0,2 + V0,6 ) / 2 = V [m/seg]

    qi = V * A [m/seg] [m] [m/seg]

  • Q1 = qi (Caudal al nivel 1 )

    Para hacer los aforos se usa un equipo tipo hlice llamado Molinete.

    El operador del molinete utiliza la tarabita para situarse a lo largo de la seccin del ro y hacerla medicin.

    Teniendo los datos de caudales con las fechas en que se obtuvieron stos, se puede realizarla grfica de caudal vs tiempo; o sea, un hidrograma.

    Con las series de caudales medios diarios y mensuales se puede evaluar la potencia yenerga que se puede obtener vs la regulacin.

    La potencia se calcula as:

    Potenciai = H * g * Qi * * turbogrupo

    H es el salto o cada, que se escoge con base en los estudios anteriores de la cuenca,topogrficos, aerofotografa, etc.

    Si se selecciona la planta de generacin con la potencia mnima entonces habra undesperdicio de agua (caudal sobrante) el cual sera factible de utilizar econmicamente.

    Si se selecciona la planta de generacin con la potencia mxima entonces habra undesperdicio de capacidad instalada puesto que esta potencia solo se podra aprovechar porun corto perodo de tiempo. El costo sera supremamente alto y es muy probable que nohubiera factibilidad econmica.

    Uno de los criterios que se emplea es seleccionar el equipo correspondiente a cincoveces la potencia mnima o de estiaje.

    Entonces:

    Se obtiene la grfica de distribucin de frecuencias, con base en el hidrograma y en laaplicacin de un paquete estadstico.

    Frecuencia: Nmero de veces que se presenta un evento, en n repeticiones.

    Se obtiene adems la curva de duracin de caudales o de frecuencia acumulada, la cualrepresenta el porcentaje (%) del tiempo en el cual el caudal Q es igualado o excedido.

    Teniendo los datos de caudales y la frecuencia con que se presentan, se ordenan loscaudales de mayor a menor y se van sumando las frecuencias para obtener la acumulada,estos datos se grafican en caudal vs % de tiempo, ejemplo:

    De 24 mediciones se obtuvieron los siguientes datos de caudales:

    El caudal Q de:

  • 10 m/s se present 6 veces

    2 m/s se present 3 veces

    5 m/s se present 1 veces

    7 m/s se present 4 veces

    9 m/s se present 5 veces

    3 m/s se present 2 veces

    6 m/s se present 1 veces

    1 m/s se present 2 veces

    Entonces:

    24 100 % del tiempo FAi X Otro de los criterios que se emplea para seleccionar el caudal de diseo (Qdiseo), es tomar, usualmente, el caudal que se presenta el 30 % - 35 % del tiempo, o sea que el 35 % del tiempo el caudal de diseo (Qdiseo) es igualado o excedido.

    Volumen total del embalse = Volumen muerto + Volumen til

    El volumen muerto es funcin de la vida econmica del proyecto es igual al volumen desedimentos que llegan provenientes del ro en un ao, multiplicado por el nmero de aos de

    Caudal Frecuencia Frecuencia acumulada

    Porcentaje del tiempo (%)

    10 6 6 25

    9 5 11 45.83

    7 4 15 62.5

    6 1 16 66.67

    5 1 17 70.83

    3 2 19 79.17

    2 3 22 91.67

    1 2 24 100

    Total 24

  • vida del proyecto, es decir, es el volumen del embalse destinado para que se depositen lossedimentos. El volumen muerto generalmente lo determina un estudio de hidrologa y degeologa.

    Volumen muerto = Mm/ao (de sedimentos) * Nmero de aos.

    El volumen til es el que realmente se emplea para la generacin de energa.

    Teniendo el volumen total del embalse y la topografa del rea, se puede estimar una altura dela presa y por lo tanto un orden de magnitud en el costo, es decir, se puede tener una primeraaproximacin al costo de las obras civiles. Entonces, al sumar a las anteriores el costoaproximado de los equipos, imprevistos, ingeniera y administracin, se puede conocer unestimativo inicial del costo total del proyecto.

    (Costo total / KW) Costo del KW instalado KW Potencia que generara la Central (capacidad a instalar). Entonces, teniendo el costo total con los gastos anuales de administracin, operacin ymantenimiento (A & ); los ingresos por venta de energa y otros costos financieros, si los hay, se hace la evaluacin econmica preliminar para analizar la factibilidad del proyecto.

    Usualmente se toma como parmetro evaluativo la tasa interna de retorno (TIR) con un valoresperado del 15 % en US$ dlares.

  • PRESA

    FUNCIONES:

    z Crear el embalse para el almacenamiento del agua. z Incrementar el nivel para lograr una mayor cada.

    OBJETIVOS AL CONSTRUIR LA PRESA:

    z Generacin de energa. z Control de inundaciones. z Irrigacin. z Suministro de agua potable. z Acuacultura. z Recreacionales. z Control de contaminacin. z Navegacin.

    TIPOS DE PRESAS:

    z Presas de tierra, con ncleo impermeable de arcilla. z Presas de enrocado, con cara de concreto. z Presas de concreto:

    { Presa de gravedad. { Presa de arco (una curvatura en el plano horizontal). { Presa de arco cpula (doble curvatura, en el plano horizontal y en el plano vertical)

    Las presas de concreto de arco cpula son ligeras pero requieren de terrenos adecuados, laforma arqueada origina fuerzas muy considerables en los apoyos laterales y por ello precisande terrenos de roca de excelente calidad.

    En la escogencia del tipo de presa interviene la topografa que define el ancho y la altura desta. Si el ancho es menor () que la altura, entonces se selecciona una presa de enrocado o detierra, lo cual depende a su vez del material disponible en la zona.

    La geologa y la sismicidad influyen en la seleccin del tipo de presa:

    Tierra, Enrocado, Concreto gravedad, Concreto de arco (1 curvatura), Concreto de arcocpula (2 curvaturas), van, en su orden, de las ms deficiente a la mejor geologa. Es decir, silas caractersticas geolgicas son deficientes entonces es necesario, o la nica alternativa esconstruir una presa de tierra, etc.

    INSTRUMENTACION DE LA PRESA:

    z Equipo para medicin de asentamiento. z Equipo para medicin de niveles hidrulicos. z Presin de poros piezmetros neumticos. z Desplazamientos horizontales Inclinmetros.

  • z Deformaciones Extensmetros lineales. z Esfuerzos totales normales Celdas de presin. z Equipo para medicin de deformaciones en la cresta. z Caudalmetros.

  • OBRAS DE DESVIACION

    Se ejecutan previamente al perodo de construccin de la presa.

    ATAGUIAS:

    Son micropresas construidas con el fin de contener y desviar el caudal del ro hacia el o lostneles de desviacin.

    Las ataguas: Aguas arriba (contener y desviar) y la de aguas abajo (evita que el agua del rose devuelva) se emplean para permitir secar y excavar el lecho del ro donde se va a levantarla presa, hasta encontrar la roca adecuada geolgicamente que permita cimentar la presa.

    Para el diseo del tnel de desviacin y de la altura de las ataguas es necesario tener encuenta el perodo en que se va a construir la presa, condicionado a los caudales histricos yproyectados (futuros).

    Se debe buscar construir la presa y por ende las obras de desviacin durante el perodo demnimos caudales o de baja hidrologa.

    Usualmente se toma un caudal con una probabilidad del 30 al 35 % de ser igualado oexcedido.

    Cuando los caudales a desviar son altos, se prefiere construir dos tneles de desviacin.

    OBRAS DE CAPTACION O BOCATOMAS

    Con las obras de captacin o toma se busca:

    z Regular el caudal Q que llega a casa de mquinas. z Garantizar la extraccin con prdidas de energa mnimas. z Evitar la entrada de basuras. z Evitar la sedimentacin a la entrada.

    Por disposicin general:

    z Captacin a superficie libre:

    - Presa derivadora

    - Colectora con rejas y elementos auxiliares Q < 10 m/s de fondo, Q > 10 m/s lateral - Decantadero o sedimentadores

    - Canal de conduccin

    - Estructura de puesta a presin o cmara de carga

  • z Galera o conducto a presin z Pie de presa

    La inclinacin de la rejilla a la entrada de la bocatoma, de entre 70 - 80 se hace con el fin de facilitar la limpieza manual.

    TUNEL DE CONDUCCION

    El hecho del tnel ser revestido o no revestido, depende de las presiones, filtraciones y de lageologa del lugar de la excavacin.

    EXCAVACION DE TUNELES

    Hasta aproximadamente 1.950 se emple el mtodo convencional.

    Perforacin voladura retiro de material soportes + inyeccin soportes: arco estructural, pernos.

    Se puede excavar cualquier seccin, cualquier tipo de roca.

    Se pueden perforar hasta 13m/dia

    METODO TUNEL BORING MACHINE

    Se emplea un taladro gigantesco con una cabeza cortadora del tamao del tnel.

    Si no existe geologa homognea entonces es necesario ir cambiando la cabeza cortadora.

    Solo se perforan tneles de seccin circular.

    Se pueden excavar tneles en:

    - Roca blanda a una rata de 130 m/da

    - Roca dura a una rata de 30 a 40 m/da

    No ocasiona daos o efectos secundarios en capas del terreno.

    Si el tnel es en: Velocidad de diseo ( tnel )

    - Roca rugosa 1 - 2 m/s

    - Roca protegida (concreto lanzado) 1.5 - 3 m/s

    - Roca protegida con concreto 2 - 4 m/s

    - Blindaje 2.5 - 7 m/s

  • OBRAS DE EXCEDENCIA

    Son las que asocian con los vertederos y son proteccin del proyecto.

    SELECCION DEL VERTEDERO:

    INTERVIENEN

    z El tamao del embalse z El tamao de la creciente

    SE DETERMINA

    z Tipo z Tamao z Ubicacin de las compuertas z Nmero de vertederos

    UBICACION

    z En los estribos: Presas de tierra y enrocado. z Adosado a la presa: Presas de concreto.

    LA CRECIENTE DE DISEO

    Esta asociada con factores hidrolgicos de la cuenca.

    TIPOS DE VERTEDEROS:

    z Creager Ogee o Canal Abierto con o sin compuertas. z Creager Ogee con tnel vertedero. z Embudo o Morning Glory. z Sifn.

    TUBERIA A PRESION (CARGA-PENSTOCK)

    z Se recurre a varias tuberas si el Q es muy grande o existen varios grupos generadores instalados.

    z Puede resultar econmicamente factible emplear una sola tubera que se ramifica antes de llegar a las unidades.

    Se clasifica en:

    - Baja presin H 5 m - Media presin 5 < H 100 - Alta presin H > 100m

  • - Revestibles

    - No revestibles

    En el diseo de la tubera de carga estn involucrados aspectos como:

    - Las posibilidades tcnicas de fabricacin

    - Dimetro ptimo: Costo tubera, Prdidas por friccin, etc.

    - Abrasin del flujo: Material, revestimientos.

    - Velocidad del agua

    - Golpe de ariete (espesor del tubo): Velocidad, Tiempo de cierre distribuidor de la turbina.

    En el Penstock la velocidad puede variar entre los 3 - 8 m/seg.

    ALMENARA (CHIMENEA DE EQUILIBRIO O POZO PIEZOMETRICO)

    Dispositivo de proteccin que tiene por objeto evitar la sobrepresin, debida al golpe de arieteen las conducciones forzadas, y al mismo tiempo sirve de deposito de alimentacin de latubera en caso de variaciones bruscas de la carga.

    ALMENARA CON DOBLE CAMARA DE EXPANSION

    Reducir la amplitud de las ondas de cierre y apertura brusca del distribuidor de la turbina.

    ALMENARA DIFERENCIAL

    Para limitar la onda de sobrepresin, tanto positiva como negativa. Presentan ventajas encuanto a la estabilidad.

    En las almenaras es fundamental la altura que adquiere el nivel del agua cuando se presentanlas variaciones bruscas de carga. El nivel no debe descender de forma tal que quede aldescubierto la tubera de carga, puesto que penetrara el aire ocasionando problemasdelicados por la presencia de bolsas de aire.

    La seccin transversal de la almenara (F) es fundamental para prevenir el funcionamientoinestable del regulador a causa de las oscilaciones producidas.

    Si F < Flimite oscilaciones regulador de velocidad se aumentan (amplifican)

    Si F > Flimite oscilaciones regulador de velocidad se amortiguan.

    DISPOSITIVOS DE CIERRE

    VALVULAS DE MARIPOSA:

  • Empleadas en centrales con bajas cadas pero de gran caudal.

    La pantalla es un disco que cierra la conduccin de caudal y gira sobre un eje diametral.

    Generalmente no requieren bypass; no ofrecen muchas veces un cierre hermtico.

    No se usan para regular caudal por las prdidas que producen y por las vibraciones que segeneran a consecuencia de las depresiones creadas dentro del disco.

    VALVULAS ESFERICAS:

    Empleadas en centrales con grandes cadas.

    Las prdidas en la tubera de presin debidas a esta vlvula son mnimas y su cierre esestanco. Va provista de by-pass con el fin de nivelar presiones y facilitar la operacin de la vlvula. En pequea escala puede ser usada para regular caudal. Es accionada por medio deservomotor.