Estudios necesarios para la construcción de una hidroeléctrica.

Transcripción

1 Estudios necesarios para la construcción de una hidroeléctrica. Para la construcción de una central hidroeléctrica se deben llevar acabo una serie de estudios con el fin de identificar los posibles aprovechamientos hídricos y seleccionar el más viable. Después de identificada la fuente hídrica se realizan estudios en la parte técnico-económica, si es lo más viable o no, des pues se realizan estudios de factibilidad en el cual se estudia si el tipo de diseño y construcción, después viene un estudio de prefactibildad en la cual se realizan otros estudios técnicos de la central. Los principales estudios son: a) estudio de la demanda: se utiliza para identificar cual es la demanda de los clientes potenciales de la central, en el tratara de medir el consumo de energía ya se a petróleo, gas, pilas, leña, carbón y otros y el que puede ofrece la central hidroeléctrica el cual debe ser superior al consumo de los clientes. b) Estudio socioeconómico: es donde se realiza la evaluación económica del proyecto, la organización y desarrollo de este además del impacto social que este causaría en la comunidad como la compra de tierras la reubicación de comunidades enteras ect, en este estudio abarca el desarrollo y construcción de la central como del mantenimiento, administración y operación de esta. c) Estudio hidrológico y pluviométrico: es el encargado del estudio hídrico de la fuente y es el que determina el caudal de diseño de la central, para el estudio hídrico se debe llevar una estadística de las fluctuaciones hídricas durante varios años para tener una idea del comportamiento de este. Pero como no hay muchos estudios hídricos de la fuente se recurre al la medición pluviométrica de las precipitaciones en las región donde estará la central hidroeléctrica, para estudiar el caudal de la cuenca que alimenta al rió. d) Estudio cartográfico y topográfico: como el principio de una central hidroeléctrica es aprovechar la energía potencial la cual se trasforma en energía cinética y esta en eléctrica, y para tener una buena cantidad de energía potencial se requiere de una caída de agua o cabeza de agua y para saber esto se realizan estudios o mapas cartográficos de la región, cuando no hay estudios cartográficos d se recurre a estudios topográficos que permitan obtener los datos necesarios para conocer la caída o cabeza de agua y así poder determinar el potencial hidroenergético de la fuente. e) Estudio geotécnico: la ubicación y adecuación de las obras civiles se hace en relación con la estabilidad de los terrenos y las posibles fallas geológicas que este contenga es un estudio muy esencial para el diseño y construcción de la central ya que le permite a los diseñadores tener una idea de que riesgos geológicos deben tener presentes a la hora de diseñar la central. f) Estudio de impacto ambiental: las obras que se construirán y la operación de la central implican un gran impacto ambiental, ya que dependiendo de el área del embalse quedara una gran extensión de tierra anegada y lo que esto conlleva como la perdidas de tierras agrícolas, selvas y su fauna y el impacto que esto causaría a el área circunvecina ala represa, el estudio debe abarcar como atenuar este daño. Al final este estudio dará la viabilidad del proyecto o no. BOCATOMA Es la obra mediante la cual se toma el caudal que se requiere para obtener la potencia de diseño, su construcción es sólida ya que de ve soportar las crecidas del rió. Esta obra debe cumplir como mínimo con las siguientes condiciones: Con cualquier caudal del rió debe captar la misma cantidad de agua en forma constante. debe impedir al máximo la entrada de material solidó y partículas en suspensión y hacer que este siga el caudal del rió. Satisfacer las más mínimas reglas de seguridad. La obra debe disponer de duna estructura de retención para garantizar una cota mínima de

2 agua sin importar el caudal del rió. La bocatoma debe cumplir con los siguientes requisitos: El agua captada debe estar en lo posible libre de sólidos, para no saturar al desarenador. El tipo de construcción debe ser sencillo económico y debe permitir el mantenimiento. TIPOS DE CAPTACIÓN. Toma lateral con espigones. La captación debe realizarse directamente sin ninguna obra que en el cauce del rió, aunque es más común hacer una presa cerrando este, esta caso el caudal es llevado por un canal lateral pero esta expuesto a el deterioro por las acción del rió. Esta obra no evita la entrada de sólidos y es muy difícil de determinar el caudal que ingresa a este ya que depende de las condiciones del rió. Toma en el lecho. La toma en el lecho capta el agua en el fondo de el rió con una estructura extendida a lo ancho de del rió, la cual esta acompañada de un colector fijado en la dirección del flujo, el agua captada es transportada a la obra de conducción y para evitar la entrada de material sólida la obra tiene una rejilla. Para toma de lecho se requiera para su diseño los siguientes para metros básicos: *caudal a captar Q( /s). m 3 *El ancho del rió (m). *El nivel mínimo en épocas de sequía. h0 *Según el tipo de barra se tiene un coeficiente de derrame μ. *Según el ángulo de inclinación de la rejilla β ingresa una cantidad de caudal representado por ҳ. *El espacio entre las barras a (cm.) y distancia entre ejes de la barra d (cm.) El caudal tomado por la bocatoma cumple la siguiente expresión. 1 / Q=c*μ*b*L*(*g*h) ( m 3 /s ). h= es la altura inicial del agua. μ= es un coeficiente de derrame de la rejilla. b= es el ancho total del vertedero (m.) L=es la longitud de la rejilla (m.) g= es la aceleración de la gravedad. Toma convencional. Esta se caracteriza por tener una pequeña presa que no tiene la capacidad de almacenar agua de ahí que no pose regulación. El caudal que pasa por el vertedero sumergido se calcula con la siguiente expresión. 3 / Q= s*m*b 1 *H ( m 3 /s ).

3 i I Coeficiente de derrame para diferentes perfiles de barra. Angulo de inclinación de la regilla OBRA DE CONDUCCIÓN O CANAL Se encarga de conducir el caudal desde la bocatoma hasta el tanque de presión, posee una pequeña pendiente, dependiendo de del diseño puede ser un canal, un tubo o tubería. El trazado se realiza con el fin de conseguir una mayor eficiencia Y seguridad a menor costo manteniendo una pendiente menor a la del rió esta pendiente tiene un estudio técnico económico el técnico esta sujeto a los posible sitios y toma de caudal y el económico lo establece la longitud del canal, en muchas ocasiones para reducir costos se opta por túneles, acueductos, rellenos u otro tipo de obras, también se opta por el túnel cuando los terrenos no son muy estables. El caudal en el canal es uniforme es decir que tiene el mismo calado y velocidad a lo larga del canal. La formula de la velocidad del agua en el canal cuadrada es. V= C R * J Donde R es el radio hidráulico y equivale a R=A/P. A= área del canal. P=perímetro mojado, J= gradiente hidráulico. El cual es el ángulo entre el peso del agua y el flujo de esta. C= constante. Se recomienda que la velocidad oscile entre 0.7 y m/s

4 Canal rectangular DIMENCIONES DEL CANAL EN REGIMEN PERMANENTE. Conocido el trazado del canal se selecciona el tipo de material para su construcción el cual indica la velocidad máxima permitida por la obra de conducción. Tabla 1.3 Límites de velocidad del agua en el canal según el tipo de suelo o de revestimiento Tipo de suelo Agua limpia Material en suspensión Lodo Barro suelto Arena fina ( mm) Arena media ( mm) Limo arenoso (natural) Arena gruesa ( - 5 mm) Grava muy arenosa Limo compacto (natura!) Grava media (5-0 mm) Tierra arcillosa grasosa (natural) Grava gruesa, piedras (0-50 mm) Piedras (50-75 mm) Cantos rodados [ mm) Césped/prado, bien radicado Tipo de revestimiento Concreto (materia en suspensión, mucha arena).0 Concreto (agua sin arena) 4.0 Mampostería con piedras sentadas y mortero 5.0 Se halla la sección requerida por medio de la expresión. S= Q/V. Q= caudal en ( /s). m 3 V= es la velocidad m/s.. Se debe tener en cuenta que la velocidad V debe ser menor que la velocidad máxima para el tipo de canal y revestimiento

5 DESARENADOR Es un tanque en el cual se decantan las partículas suspendidas en el agua, por lo general esta al final de la obra para que el agua pierda velocidad junto con las partículas para que estas últimas caigan y se queden en el fondo del tanque. El volumen de sólidos para la crecientes de un rió de montaña es aproximadamente entre un 4 y 6% del volumen del agua y en llanuras alrededor de 0. a 1.0% 1. No poseer un desarenador puede ocasionar los siguientes daños: Se diminuya la sección de la conducción de la canal por sedimentación lo que aumenta la mando de obra. Disminuye la capacidad del tanque de presión por aumento en los sedimentos lo cual le quita volumen de agua. Cunando las partículas adquieren velocidad aumenta el desgaste de la tubería como el de los inyectores y turbinas aumentado los costos de mantenimiento y disminuye la vida útil de estos elementos de la central eléctrica. Para que el desarenador pueda cumplir su trabajo la velocidad del agua debe disminuir, por esta razón el volumen de esta es considerable y debe cumplir con la siguiente expresión. Donde: Q es el caudal de diseño. A C es el área del canal. V C es la velocidad del agua en el canal. A d es el área del desarenador. Q = A C * V C = A d * V d. V d es la velocidad del desarenador. Los desarenadotes se clasifican de acuerdo a la forma como eliminan los sedimentos de lavado. DESARENADOR DE LAVADO INTERMITENTE. Este tipo de desarenador se caracteriza por que periódicamente se esta lavando, esta operación siempre se procura que sea en el menor tiempo posible, pero el tiempo esta sujeto a los sedimentos que son arrastrados por el agua que ingresa a este. Este desarenador esta compuesto por los siguientes elementos: Compuerta de admisión. Transición de entrada. Transición de salida o vertedero. Cámara de sedimentación. Compuerta de purga. Canal directo. La compuerta de admisión une la obra de conducción con el desarenador, por lo general son dos compuertas una a la entrada del desarenador y la otra en la entrada del canal directo, la transición de entrada garantiza que la velocidad del agua sea uniforme y por ende una mayor eficiencia en la sedimentación. En la cámara de se sedimentan las partículas sólidas debido a la disminución de la velocidad. La forma del desarenador por lo general puede ser rectangular lo cual es más costoso o rectangular la cual hidráulicamente es más eficiente. Los sedimentos por lo general se acumulan en el centro de la cámara y para su desalojo por medio de la compuerta de lavado general mente se le da un gradiente elevado de a 6%.algo muy importante es que el desarenador debe evitar a toda costa que se formen turbulencias ya que esto agitaría los sedimentos. 1 Tomado del libro de pequeñas centrales eléctricas por Ramiro Ortiz Flórez Pág. 178.

6 El vertedero por el cual pasa el agua limpia hacia el canal o tanque de presión debe ubicarse formando una curva desde uno de los muros laterales. DESARENADOR DE CAMARA DOBLE. Este se utiliza cuando el caudal pasa de 10m /s y se divide el desarenador en dos o más cámaras. DESARENADOR DE LAVADO CONTINUO. En este tipo de desarenador el materia acumulado se esta limpiando constantemente. 3 TANQUE DE PRESIÓN Es otro tanque que por lo general esta cerca del desarenador, en el cual la velocidad del agua es prácticamente es cero, su principal fundón es evitar que entren burbujas de aire en la tubería de presión, también ayuda a amortiguar el golpe de ariete. Las ondas de presión son mayores durante el arranque de las turbinas o por parada total de estas, estas ondas se denominan golpe de ariete. El golpe de ariete se origina cuando se cierra parcial o totalmente (rechazo de carga) el órgano de control de la turbina y este se llama golpe de ariete positivo ya que la velocidad cinética del agua al estar cerrada la válvula de alimentación de la turbina se detiene y se transforma en presión, lo que conlleva a que la tubería tenga que soportar esta presión la cual es muy alta esta onda viajara en sentido contrario hasta llegar al tanque o cámara de presión en donde se aliviara dicha presión y saldrá un poco de agua por lo cual la presión disminuye tan rápido que esta disminuye tanto que la tubería se contraerá debido a la menor presión estando el punto más critico a la entrada de la válvula de corte de la turbina, este ciclo se repetirá sucesivamente hasta que la energía se disipe en forma de calor y empezara a amortiguarse este fenómeno hasta desaparecer. Para evitar daños sobre todo cuando hay expansión de la tubería el cierre de la válvula debe tener cierta velocidad para que no deteriore la tubería y no desestabilice el generador. El máximo golpe de ariete se calcula admitiendo que una variación de movimiento es igual al impulso de la fuerza en la sección más próxima al distribuidor en el caso de una turbina de acción o de la tubería en el caso de unan turbina de reacción.

7 Golpe de ariete positivo. Carga estática Oscilación golpe de ariete positivo La cámara de presión debe soportar la partida y la parada brusca de los generadores. El tanque de presión esta conectado al canal por medio de una transición de la cual el agua pasa a la tubería de presión a través de una rejilla que evita la entrada de elementos sólidos flotantes. Los excesos de agua en la cámara de presión se liberan a través de un aliviadero. La cámara de presión cumple con las siguientes funciones:

8 Tener un volumen de reserva de agua para los aumentos bruscos de consumo por parte del generador. Impide la entrada a la tubería de presión de objetos sólidos de arrastre y flotante. Desalojar el exceso de agua cuando el consumo es menor que el consumo de diseño, en pocas palabras cuando hay baja carga en el generador. Mantener sobre la tubería de presión una altura de agua superior para evitar la entrada de aire a esta. Amortiguar el golpe de ariete. Para diseñar la cámara se debe tener en cuenta las condiciones críticas de operación que son: Cuando hay partida brusca del generador debe evitar la entrada de aire a la tubería de presión. En parada brusca del generador debe garantizar la estabilidad funcional de la cámara de presión del canal de la conducción. Para garantizar la primera condición es indispensable que el volumen de agua útil almacenado en la cámara de presión sea compatible con la variación del caudal entre el valor mínima y el valor máximo En el dimensionameinto hidráulico se deben tener en cuenta los siguientes aspectos. Fluido exento de material en suspensión. Tiempos nulos de aceleración. Canal y cámara de fondos planos esta ultima de sección transversal rectangular. PARTIDA BRUSCA. Para determinar el volumen necesario de la cámara de presión en partida brusca se tienen en cuenta las siguientes consideraciones: La aceleración del agua en el conducto forzado es iguala su valor medio. El caudal varía linealmente. DIMENSIONAMIENTO:

9 Para su dimensionamiento se requiere la siguiente información: Q es el caudal de diseño (m 3 /s). Hc es la altura total de la central hidroeléctrica. (m). h1 es la altura de la conducción. (m). D es el diámetro de la tubería (m). L es la longitud de la tubería de presión. (m). ALIVIADERO. Esta obra tiene como finalidad eliminar el exceso de agua que trae la bocatoma, enviándola al cause del rió nuevamente, por lo cual es una obra de seguridad ya que elimina los excesos de agua ya sea por altas precipitaciones o por derrumbes que a la final van en deterioro de la cana, una manera de eliminar los exceso de caudal es construyendo vertederos en forma laterales o sifones ubicado en una de las márgenes del canal o recubrir la canal para evitar los daños. Para las dimensiones del aliviadero es muy importante determinar el numero de estos en el canal y el criterio es técnico-económico entre la longitud entre estos y la atura de seguridad con el fin de tener un menor costo en excavación y hormigón para la realización de estos. El aliviadero es una obra la cual se caracteriza por tener una cresta unos centímetros mayor al nivel normal de agua. El agua que pasa por el vertedero es recogida por un canal se diseña para un caudal variable y con unas estructuras especiales que reducen la velocidad del agua hasta que llega nuevamente al afluente o rió. Para dimensionar el vertedero se deben conocer los siguientes parámetros del canal. Tipo de canal. b= ancho del canal. d=calado del canal. n=coeficiente de rugosidad del canal. j= gradiente del canal. m= talud del canal. Qd= caudal de diseño. Qv= caudal del vertedero. Qt= caudal captado. TUBERÍA DE PRESIÓN Es la que conduce el agua desde el tanque de presión hasta la turbina, la cual deberá estar apoyada en anclajes que le ayudan a soportar la presión a la cual estará sometida y los dilataciones térmicas de la misma. La tubería de presión se recomienda que sea lo más recta posible, aunque siempre se debe ajustar a las condiciones topográficas de la central. La tubería de presión esta compuesta por los siguientes elementos: Toma de agua la cual debe tener una rejilla. Codos para la variación de la pendiente. Juntas de unión. Juntas de expansión ubicadas entre los anclajes las cuales deben asimilar la expansión o contracción de esta. Bifurcaciones las cuales le permite dividir el caudal en varias tuberías. Válvulas independientes a la tubería de presión ubicadas entre el final de la tubería y la turbina. Anclajes y apoyos que se encargan de sostener la tubería. Para el dimensionameinto de la tubería se deben tener en cuenta los siguientes parámetros. El diámetro se selecciona de acuerdo ala análisis técnico-económico que permita

10 determinar el diámetro que cause menores perdidas y el menor costo. El espesor se determina de acuerdo a los esfuerzos generados por el golpe de ariete, el peso del agua y la tubería. El material de construcción de la tubería para seleccionar la de mayor resistencia mecánica a los esfuerzos mecánicos. Uno de los mayores costos en un pequeña central hidroeléctrica es el de la tubería por lo que se debe optimizar el diseño para reducir costos y escoger lo mejores materiales y su espesor lo cual reducirá el numero de anclajes. DIAMETRO DE LA TUBERIA DE PRESIÓN. Este se determina entre la selección óptima entre el mínimo de perdidas y el costo. Las perdidas en la tubería ΔH se traducen en perdidas de potencia y estas en energía, estas se reducen aumentando el diámetro D t, pero dicho aumento se refleja en los costos, por consiguiente de busca un punto medio entre las perdidas de energía ósea lo que se deja de vender y el costo de la tubería.. El diámetro de la tubería se determina con base en las perdidas mínimas de energía: Ca = Cp + C. Donde: Ca = es el valor total de la energía perdida en un año. Cp = es el valor anual por amortización y mantenimiento de la tubería. C = es el valor anual por amortización y mantenimiento. El valor anual de las perdidas pro energía por fricción esta dado por el numero de horas que trabaja con un factor de carga. Cp = ΣCpi. Donde Cpi es el valor de las pérdidas de energía por fricción correspondiente y equivale a: Cpi = a cix C i x 9.81 x Q x h t Donde. C i es el costo de la venta de energía o precio por Kw/h. h t es la perdida de carga. a ci es el numero de horas con un factor de carga F ci. Q es el caudal a plena carga. El factor de carga y el número de horas se toman del estudio de demanda, a cada factor de carga F ci corresponde un caudal Q i El valor anual por amortización y mantenimiento de la tubería es: C = C x Gt x i /100. Donde. C es el costo de un kilogramo de tubo instalado incluido los accesorios y mantenimiento i es la taza de descuento por porcentaje. Gt es el peso de los tubos más accesorios. H que es la altura bruta. B σ t es la tensión de tracción del material de la tubería. Para determinar el valor del diámetro de una manera más sencilla se puede utilizar la siguiente expresión Q D = 1.7 (Bondschú). ( H B + h s )

11 Donde: 0.43 PeMAX D = ( H B + hs ) D = 1.13 Q / V. 3 Q es el caudal de diseño dado en (m /s). H es la ciada bruta dada en metros. B P es la potencia eléctrica dada en Kw. emax h sobre presión en golpe de ariete en m. s V es la velocidad del agua en m/s. PERDIDAS. Las perdidas de carga o altura son generadas por la fricción del los elementos que componen la tubería de presión, como: La rejilla h. r La entrada en la tubería h. e Los codos h k La fricción en el tubo h. fricc Las válvulas h. v Las bifurcaciones h ram. El estrechamiento del tubo h. estr. Las perdidas son la suma de todas la perdidas por fricción. ESPESOR DE LA TUBERÍA. h t = h r + h e + h k + h fricc + h ram + h estr. + h v. El espesor de la tubería se determina con base en el golpe de ariete y se corrobora su elección si la tensión máxima permisible es mayor a las tensiones máximas de trabajo. El espesor de la tunería de presión se determina de la siguiente forma: Donde: e = * D S P δt * Kf +e = s ( H B + hs ) D δt * Kf + e (mm). s P es la presión máxima considerando el golpe de ariete. S H es la caída bruta (m). B h s es la sobre presión ejercida por el golpe de ariete. D es el diámetro de la tubería. δ t es la tensión de tracción del material (Kgf/cm ). Kf es la eficiencia de las uniones Kf = e s es un espesor adicional e s = 3mm. Los principales materiales de la tubería de presión utilizada en las pequeñas centrales eléctricas son: Acero comercial. Policloruro de vinilo (pvc).

12 Hierro dúctil centrifugado. Asbesto-cemento. Resina de poliéster reforzada con fibra de vidrio. Polietileno de alta densidad. labia 15.7 Comparación de los diferentes materiales para tuberías de presión Material Pérdida por fricción Peso Corrosión Costo Presión de trabajo Hierro dúctil Asbesto cemento PVC Acero comercial Polietileno Rangos: Malo = 1, Excelente = 5 SISTEMAS DE APOYO DE LA TUBERIA DE PRESIÓN. La tubería de presión se soporta sobre apoyos y codos en donde se requiere cambiar la pendiente de la tubería. Los apoyos consisten en bloques de concreto que admiten pequeños desplazamientos del tubo en dirección longitudinal y en caso de que hayan fuerzas verticales estas se absorben con pequeñas cintas metálicas que abrazan la tubería y están ancladas al apoyo. figura pagian38. En los lugares donde haya cambio de pendiente el tubo será anclado con apoyos fijos que impiden movimiento en toda dirección y que facilitan la absorción del esfuerzo de desviación por medio del peso del bloque estas estructuras pueden ser: Anclaje para variar pendiente longitudinal. Anclaje para variar pendiente longitudinal y transversal Anclaje para variar pendiente transversal. También se debe tener en cuenta la profundidad de estos apoyos ya que no deben deslizarse por ningún motivo. BLOQUES DE APOYO. Estos se utilizan para sostener adecuadamente la tubería de presión, se deben diseñar de tal manera que sena de bajo costo y fácil construcción. El apoyo facilita el deslizamiento por dilatación o contracción debido a variaciones de temperatura este debe absorber los esfuerzos y garantizar que no se volteara ni enterrara, encima de este se monta una rejilla con bajo coeficiente de fricción. ANCLAJES. Estos impiden el movimiento de la tubería, pueden se de tipo abierto cuando la tubería está descubierta y sujeta al bloque por medio de piezas especiales de acero, o de tipo macizo cuando el hormigón abraza totalmente la tubería, estos también ajustan la tubería ala topográfica y permiten variar la pendiente. Para establecer las dimensiones de un bloque de anclaje hay que calcular todos los esfuerzos que trasmite la tubería. La componente del agua y el peso de la tubería. El peso del agua Ga y el peso de la tubería Gt equivalen a: Gat i = Ga i + Gt i. El peso del agua Ga y el peso de la tubería Gt equivale a:

13 Gat = Ga 1 +Gt +Ga +Gt. 1 El peso del agua equivale a: Gat = πd γ a * Lsi = x Lsi. 4 Donde Lsi es la longitud media entre el anclaje y el apoyo próximo y D es el diámetro de la tubería. El peso de la tubería equivale a: Gt i = γ x (π /4) x e x (D+e) x Lsi. Dimensiones del apoyo: Se puede calcular cuando se tiene los siguientes datos: El diámetro de la tubería D (m). El espesor de la tubería e (m). Los ángulos de inclinación respecto ala horizontal y con la vertical. La longitud entre el apoyo y el anclaje aguas arriba y aguas abajo Ls 1 y Ls. Si la tubería presenta reducción deben conocerse los diámetros respectivos Dj y D; el desplazamiento de la junta L ju y la altura a la cual se encuentra incluyendo el efecto del golpe de ariete H bj y H Bm. 3 El caudal de diseño Q (m /s). La variación de temperatura Δt1 y Δt. La capacidad portante del terreno σ ad (Kgf/m). El coeficiente de fricción entre la tubería y el anclaje μ. El coeficiente de fricción entre el anclaje y el terreno Ф CASA DE MAQUINAS Es el sitio donde encontraremos la turbina, generador es aquí donde suceda la transformación de la energía hidráulica en mecánica y esta en eléctrica y mediante le sistema de transmisión llevarla a los usuarios. Esta se construye tomando los siguientes parámetros: Por lo general la casa de máquinas se debe construir cerca del afluente donde se le entregara el agua que ya paso por la turbina. Es importante construirla en terrenos estables y que la tubería de desagüe este libre de la acumulación de sedimentos. Que sea fácil una ampliación a futuro. Fácil acceso. El diseño de la casa de máquinas va en función del grupo turbina-generador y este puede ser horizontal o vertical. En las pequeñas centrales hidroeléctricas el más utilizado es el horizontal, aquí algunas características. Cojinetes normales. Transmisión directa del movimiento, Fácil inspección. Suele compensar el momento de inercia con el volante acoplado al eje. Cimentaciones de mayor extensión. El hidrogrupo de eje vertical se ajusta apotencia mayores y tiene entre otras las siguientes características: Posibilidad de colocar los alternadores y trasmisores tan arriba como se quiera del nivel del agua sin importar el salto.

14 Una buena cimentación. Las cargas verticales deben ser sostenidas por un cojinete. Estos son algunos de lo componentes más importantes que encontraremos en una casa de máquinas. Válvula: este es un elemento ubicado entre la tubería de presión y la turbina, que permite el paso del caudal no se utiliza como regulador de caudal. Turbina: la turbina es el componente que transforma la energía hidráulica en mecánica, debido a la variación de la demanda de energía eléctrica, la potencia en ele eje de la turbia también debe variar de forma que se mantenga la frecuencia constante, para ello la turbina consta de un regulador de velocidad que permite ajustar el caudal a la demanda de energía eléctrica. Generador: este elemento es el que se encarga de la transformación de la energía mecánica en eléctrica. Esta acoplado mecánicamente a la turbina ya se acople directo o por acople mecánico que por lo general es elevador. La demanda de energía eléctrica conectada a los bornes del generador tiene dos componentes una componente activa que se regula con el caudal de la turbina y otro componente reactiva que se regula con un regulador de tensión ya que causa variaciones en el valor de la tensión. Volante de inercia: este se encarga de atenuar el momento de inercia del grupo turbinagenerador para reducir el golpe de ariete en la tubería de presión y el hidrogrupo. Subestación: estos equipos son los que se utilizan para el trasporte de la energía eléctrica desde la central hasta las redes de transmisión de energía eléctrica. Esta se encarga de elevar la tensión de generación hasta la de transmisión de acuerdo con la potencia de generación y longitud de transmisión. Canal de salida de las aguas turbinadas desfogue del agua de la central : el agua procedente de la turbina sale al río por medio de un tubo difusor, también se puede hacer por medio de una galería que se une con un canal. VOLANTE. El disponer de un volante de inercia permite reducir sobrevelocidades y sobre tensiones generados por enbalamientos de la maquina causados por la perdida de carga eléctrica, este permite reducir los esfuerzos mecánicos y eléctricos del grupo turbina-generador garantizando de esta forma su estabilidad. Los factores que influyen en la regulación son: Tiempo de cierre del regulador: por una razón cualquiera la potencia eléctrica cae a cero el sistema se tomara un tiempo en reaccionar t m, En este tiempo la potencia se mantendrá inicialmente constan y aumentara bruscamente debido a la sobrepresión del golpe de ariete. Durante t m, aumentara la velocidad de rotación del grupo de n a n 1 trascurrido t m el regulador empieza a actuar disminuyendo la potencia desde p hasta cero; la velocidad crece hasta un valor máximo y máx n máx después cae a cero. El tiempo t 1 = t es el tiempo de cierre del regulador siendo t s el tiempo que demora el grupo en parar.

15 El tiempo total desde el momento de rechazo de carga hasta que se para el grupo es: t = t + t + t t m s. Comportamiento del grupo en parada brusca. t m Técnicamente se busca que sea lo menor posible para que la rotación no aumente demasiado hasta que el sistema comience a cerrarse. El tiempo t en lo que respecta al golpe de ariete debe ser lo menor posible pero si que la rotación máxima sobre pase los valores y perjudique la estabilidad operacional del grupo, el valor máximo no debe exceder el 35% de la rotación nomina. Tiempo transitorio. Este tiempo hace referencia a el tiempo de aceleración o como inercia especifica t g es el tiempo en segundos que demora desde n =0 hasta la rotación nominal nn, actuando en el eje; el momento nominal M n, entonces: Pen = w n M n y M n tg = I wn. Dimensionamiento. Las dimensiones del volante se hacen de la siguiente forma: Se debe disponer de la siguiente información. p en es la potencia eléctrica (Kw.). n n es la velocidad del grupo dada en rpm. D es el diámetro dado en(m). (GD ) T es el momento de inercia de la turbina ( Kgf / m ) (GD ) G es el momento de inercia del generador ( Kgf / m. Con base en esta información de dimensiona el volante con el siguiente procedimiento. Se fija t g entre 4ª 1 s. Se calcula el momento Pen tg GD = ( Kgf / m ). nn Se calcula ( GD v ) del volante: GD v = ( GD ) ( GD ) T ( GD ) G. Si esta relación es mayor que cero se requiere el volante GD v > 0.

16 La dimensiones del volante indicados son: B = re rj= b r = e ri Se halla en momento de inercia del volante: 4 4 ( GD ) v = π ρ rj ( b B) + B RE [ ] Si el material es de acero el peso especifico ρ f =7.850 ( Kgf / m ). Se calcula el radio del volante: r = Se calcula j r e (m). Se calcula B = re r (m). r = (m). e ( GD ) v Dimensiones del volante.

17 TURBINA TURBINA PELTON PROVISTA DE DOS TOBERAS La turbina es el equipo en el cual se transforma la energía hidráulica en mecánica, esta acoplada directamente al generador y ambos atienden la demanda eléctrica. Según la forma como la turbina transforma la energía cinética en mecánica pueden agruparse de la siguiente forma: Turbina de reacción: el agua entra a presión y en los conductos móviles del rodete cambia la dirección y aceleración en ella la presión estática disminuya entra la entrada y la salida del rodete. Turbina de acción. El agua entra si presión, a presión atmosférica y cambia solamente la dirección más no la aceleración, en ella permanece constante la presión estática tanto a la entrada como a la salida del rodete. En función como se mueve le agua dentro de la turbina estas se clasifican en: Axiales: cuando el agua va paralela al eje. Radiales: si tienen su movimiento en dirección del radio. Centrifuga: cuando el agua va de adentro hacia a fuera. Centrípeta: cuando el agua va de afuera hacia adentro. Mixtas: cuando el agua entra radial mente y sale axialmente.

18 Por el modo de admisión del agua se clasifican en: Admisión total: cuando el agua entra por todo el contorno del rodete. Admisión parcial: cuando el agua entra por todo el rodete. Admisión interior: cuando el agua se admite por todo el interior del rodete (turbinas centrifugas). Admisión exterior: cuando el distribuidor esta colocado en el contorno exterior (turbina centrípeta). Por la posición del eje de la turbina se clasifican en vertical y horizontal. Por la posición de la cámara se clasifican en cámara abierta y cámara cerrada PARTES DEUNA TURBINA HIDRAULICA. El distribuidor. Es un elemento estático que no posee velocidad angular y en el no se produce le trabajo mecánico sus funciones son: Acelerar el flujo al transformar la energía potencia del agua en energía cinética y energía de presión, esto en la turbinas de acción y en algunas de reacción. Dirigir el agua hacia el rodete en una dirección adecuada. Actuar como un órgano regulador de caudal. Este puede ser de diferentes formas, puede ser de tipo inyector en las turbinas de acción o de forma radial, semiaxial y axial en la turbinas de reacción. El rodete. Llamada también rotor de rueda esta elemento es el órgano principal de la turbinas hidráulicas consta en esencia de un disco provisto de un sistema de álabes, paletas o cucharas, el cual esta animado por cierta velocidad angular, en este elemento es donde se produce la transformación de la energía hidráulica en cinemática,. Mediante la aceleración y desviación, o por la simple desviación del flujo de agua a su paso por los álabes. Tubo de aspiración. Este elemento es muy común en las turbinas de reacción se usa en ocasiones en las turbinas de acción, se instala a continuación del rodete, por lo general tiene la forma de un conducto divergente puede se recto o acodad y cumple las siguientes funciones: Recupera la altura entre la salida del rodete y la altura del desagüe. Recupera una parte de la energía cinética correspondiente a la velocidad residual del agua a la salida del rodete, apartir de un diseño tipo difusor. Carcaza. Este elemento tiene la función de recubrir cubrir y soportar las partes de la turbina Deflector TUBERIA DE DISTRIBUCIÓN

19 TIPOS DE TURBINA TURBINA PELTON. Puede definirse como una turbina de acción, de flujo tangencial y de admisión parcial. Opera de forma eficiente en condiciones de grandes saltos y bajos caudales, el proceso de flujo se realiza a presión atmosférica se emplean en pequeñas y grandes centrales hidroeléctricas. Sus principales elementos son: Distribuidor: esta constituido por un o varios inyectores máximo seis, este consta por lo general de una tobera de sección circular provista de unan aguja de regulación, que se mueve axial mente, variando así la sección del flujo, en el caso de que se requiera de una operación rápida para dejar el rodete sin acción del chorro se adiciona una placa deflectora de este modo la aguja se cierra en un tiempo más larga, reduciendo el golpe de ariete. Rodete. TURBINA TURGO. Puede definirse como una turbina de acción, de flujo axial y de admisión parcial, esta compuesta por el rodete y el distribuidor Turbina Turgo.

20 TURBIANA MICHEL-BANKI. Se trata de una turbina de acción de flujo radial centrípeto-centrifugo de flujo transversal de doble paso y admisión parcial, esta compuesto por el distribuidor y rodete. TURBINA FRANCIS. Puede definirse como de reacción de flujo mixto centrípeto y de admisión total. Consta de: Distribuidor: consta de una serie de álabes de posición variable y de perfil aerodinámico, dispuestos conformando conductos convergentes del tipo tobera. De este modo el agua se acelera y orienta hacia el rodete bajo diferentes ángulos de inclinación y permite una regulación del caudal. Los álabes pueden se regulados manual o automáticamente por el regulador. Rodete: consta de una serie de álabes fijos colocados en un disco y una corona exterior por lo general posee doble curvatura. El agua ingresa radial mente por la periferia de externa y abandona el rodete en dirección axial para dirigirse hacia el tubo de aspiración. Tubo de aspiración: su forma básica es la de un difusor. Puede ser del tipo recto o del tipo acodado, la elección de alguno de estos tipos depende de la altura de aspiración y se calcula con base en la teoría de cavitación. TURBINAS KAPLAN Y DE HÉLICE. Esta se puede definir como una turbina de flujo axial de reacción y admisión total, la principal

21 característica de la turbina kaplan es el rodete, el cual tiene álabes de perfil de ala de avión orientadas mediante un mecanismo situado en el interior del cubo. El distribuidor es de tipo FNK, similar al de la turbina Francis debido a la orientación de lo álabes del rotor puede operar con muy buena eficiencia dentro de un amplio rango de caudal. La turbina de hélice es una variable de la turbina kaplan y consiste en un rodete pero con los álabes fijos con ello se abarata el rodete pero decrece la eficiencia. TURBINA AXIAL. Esta es una turbina kaplan con un distribuidor Fink adaptado al flujo axial, en lugar de cámara espiral posee una carcaza tronco cónica de sección convergente en la dirección del flujo, se presenta en tres versiones. 1. turbina tubular.. turbina tipo bulbo. 3. turbina de generador periférico.

22 DIMENCIONES PREELIMINARES DE LAS TURBINAS. Para este trajo se analizara el de la turbina pelton. Turbinas pelton. Velocidad del chorro a la salida del inyector. Tratándose de una turbina de acción donde todo el salto neto se convierte en energía cinética la velocidad será: En estas relaciones C esta en m/s, ϕ perdidas del inyector H C = ϕ g H ϕ = 1 ΔH H i es el coeficiente de velocidad que depende de las Δ i en metro su valor varia entre 0.95 y 0.99.

23 Diámetro del chorro. Este valor se mide en la vena contacta: Q = 0.55 H 1/ d. El diámetro d esta dado en metros, y Q en m / s coeficiente de velocidad promedio de ϕ = esta relación es valida para un Diámetro pelton. Este diámetro corresponde a la circunferencia media entre las cucharas, tangente a la línea media del chorro. H D = (37A39) N En esta expresión D esta expresada e metros, N en rpm eficiencia total promedio de η = 0.88 y es valida para ϕ = 0.97.y una Velocidad especifica. Valida para ϕ = y η = 0.88 N s = 40 d D Numero de cucharas. 1 Z + ( D + d) 14a16 =. Altura del montaje mínimo Donde d y H son expresadas en metros. H m = 10D + H,000 Dimensiones básicas de una turbina Pelton. b= (.8-3.) d h = (.8-3.) d t = 0.8 d

24 GENERADOR. El generador se basa en los principios del electromagnetismo, el proceso de trabajo de una maquina en régimen de generador que convierte la energía mecánica en energía eléctrica y la naturaleza de este proceso se explica con la ley de inducción electromagnética. La transformación de la energía mecánica en energía eléctrica se puede realizar en ambas direcciones es decir una maquina eléctrica puede trabajar como motor o como generador, por lo general el principio de construcción es rotativo el de las maquinas eléctricas que son las que aplican para este trabajo.

25 Las maquinas rotativas constan principalmente de una parte estática llamada estator y una que gira llamada rotor. El rotor se ubica dentro del estator espaciados por un entre hierro. Una de las partes de la maquina dispone de una excitación que suministra el campo magnético el cual puede se r constante o creado por una fuente de corriente continua y en la otra parte se ubica la bobina de trabajo de la maquina. Si una maquina eléctrica trabajo como generador el giro del rotor induce en sus bobinas una Fem. Y si se conecta a estos bornes una carga circulara por esta una corriente eléctrica y si trabajo como motor las bobinas de trabajo se conectan a la red y trabajara como motor girando el rotor Por lo anterior las maquinas eléctricas independiente mente que trabajen como motores o generadores se clasifican en asíncronas y sincrónica Maquina asíncrona. En esta maquina el rotor gira a una velocidad diferente a la del campo magnético del estator y esta diferencia es la que hace que se corten las líneas de flujo producidas por el campo y del estator y se induzca una fuerza electro motriz. Para que sea un generador la velocidad del rotor debe ser mayor a la del campo en ele estator, la potencia reactiva necesaria para crear el campo magnético de la maquina cuando opera como generador autónomo puede obtenerse bien se de la red o de un banco de condensadores teniendo en cuenta que el condensador debe suministrar la carga reactiva necesaria para crear el campo magnético en la maquina y los reactivos de la carga. Fig18.6 pag337. Maquina sincrónica. Esta maquina el rotor gira a la misma velocidad mecánica que el campo magnético del estator. El rotor inductor se encuentra alimentado por una fuente de corriente eléctrica directa, la cual produce un campo magnético constante que con el movimiento mecánico producido por la turbina hidráulica corta las bobinas del estator induciendo en estas una Fem. ( E 0 ) dicha tensión ( E 0 ) el cual tiene un desfase con respecto a la tensión (U ) en bornes de la maquina si este desfase esta entre 0 y 90º es un generador. Principio de auto excitación de lo s generadores síncronos.

26 Comparación entre un generador asíncrono y un síncrono. La masa de un generador asíncrono respecto a la de un síncrono es menor ya que el asíncrono tiene menor entre-hierro y las barras del rotor no requieren enfriamiento y por ende las bobinas son más fáciles de colocar que las de un síncrono. Las condiciones de enfriamiento de un generador síncrono son más exigentes que para un asíncrono. De acuerdo a la potencia del generador sale más caro la masa del entre-hierro y el banco de condensadores que el generador síncrono. Para velocidades menores a 3600 rpm como la masa del generador asíncrono es menor el factor de potencia disminuye por lo cual lo hace menos eficiente que el de un generador síncrono. DIMENCIONES DEL GENERADOR: El principal parámetro de un generador de eje vertical y de bajas revoluciones es el diámetro internote la ventana del estator ( D i ) (cm.) y la longitud del conductor magnético activo ( l t ) (cm.) estas medidas están en relación según la siguiente ecuación. 1 C = Di lt nc S Donde C es la constante de la maquina para generadores de pequeñas potencias es igual a 0; n c es la velocidad sincrónica (rpm.); S es la potencia del generador dado en KVA. Se tiende a tomar el mayor diámetro interno posible del estator ya que permite una solución más económica y se obtiene un momento de inercia mayor.. La sobre velocidad mayor permitida en un generador hidráulico es de 1.60 y. nc y se debe determinar que debe oscilar para ceros de buena calidad entre 160 y 180m/s. El diámetro interno del estator es: D i ( ) 60 = π n c. REGULACION DE FRECUENCIA Y TENSIÓN. La frecuencia de un generador en vacío es ( s = 0), f1 = p n1 / 60 = p n / 60,se determina con la velocidad de giro del rotor n 1 = n. si un generador con carga se mantiene sin variación de n la velocidad del campo magnético es: n n = 1 S 1. Diminuy e ya que el régimen de generador la característica de estabilidad mecánica la da el deslizamiento menor que cero, ( s > 0) y habrá una variación de frecuencia y esta variación equivale al deslizamiento expresado porcentualmente y para mantener constante la frecuencia cuando aumenta la carga es necesario aumentar n. ( ) Δf1 = p n s nom / 1 s nom Parta estabilizar la tensión del generador cuando hay variaciones de carga, se puede regular la frecuencia de giro del motor n o el campo magnético de maquina. también variando la potencia reactiva que ingresa al generador desde el condensador, esta se utiliza más frecuente

27 mente. Qc = m1 w1 C Uc. Para ello se puede variar la capacitancia en el condensador C suministrada a ellos. o también la tensión Uc El condensador debe diseñarse para que cumpla con las siguientes condiciones: Para un n nnom. Para un n > n nom n = C com n C C = C com nom n nnom La estabilización de la tensión de un generador que trabaja con las variaciones de la frecuencia de giro y de carga realizarse variado la magnitud del condensador conectado, como por ejemplo con la ayuda de un tiristor. 4 Esquema principal de regulación automática de tensión del generador a través de regulación de tensión suministrada a los condensadores. VALVULAS. La válvulas están ubicadas antes de la turbina se utilizan para el cierre del caudal a través de la turbina y para operaciones de reparación. Para caídas superiores a 00 metros las válvulas antes de la turbina son operativas, es decir que se cierran con la parada de la turbina con el fin de evitar cavitación. Para centrales con caídas bajas se utilizan válvulas de compuerta y para caídas entre 30 y 00 metros válvulas de mariposa. Superiores a 00 metros válvula de esféricas. Válvula de compuerta. Cosiste en un disco metálico que sube y baja a voluntad y que esta ubicado en el cuerpo de la válvula, cuando hay altas presiones se requiere una fuerza mayor para operarlas, y por esto se coloca también una pequeña válvula de bypass para conectar

28 el lado de lata presión con el de baja presión. Válvula de mariposa. Básicamente es un disco con forma de lenteja montado sobre un eje central. Para operar este tipo de válvula se requiere poca fuerza ya que la presión de contracorriente en cada disco esta balanceada, es importante cerrarla lentamente para no o riginar un golpe de arie te. Válvula esférica. Es prácticamente una esfe ra por donde fluye el caudal se monta en la misma tubería. Se caracteriza por tener bajas perdidas y un cierre hermético que evita la cavitación. Son las precauciones que se deben tomar para asegurar la protección de una maquina, comprenden de una parte de dispositivos preventivos para impedir la formación de una perturbación como consecuencia de cusas excepcionales en la carga y de otra parte de dispositivos de protección para limitar al mínimo los daños cuando se produce una avería. Estas se pueden resumir en lo siguiente: Protección preventivas contra las averías en los aislamientos, contra las sobre tenciones por descargas atmosféricas al servicio, contra las sobrecargas y la vigilancia de la temperatura de la maquina ventilación 1) Protección preventiva contra las averías de origen mecánico, en estas están la vigilancia de los cojinetes. ) Protección contra los daños internos del aislamiento, como son los cortocircuitos entre fases, las averías a tierra del estator, los cortocircuitos entre espiras y fallas a tierra del rotor. 3) Protección contra las perturbaciones externas. 1) Protección contra sobre tensiones de origen atmosférico. Se utilizan los pararrayos que drenan la sobre tensión a tierra sin causar perturbaciones notables en los generadores. Protecciones contra las sobrecargas. Se emplean relés térmicos, los cuales pueden ser directos para bajas corriente o a través de transformadores de corriente. Vigilancia de la ventilación. PROTECCIONES. Para el rotor no es fácil la medición de la temperatura ya que este se encuentra girando por lo que se instalan unos sensores que monitorean el flujo de aire de refrigeración y para el estator se pueden utilizar rtd s las cuales la variación de la resistencia es medida por un relé al cual tiene un juego de contactos que se pueden programar para dar una alarma y si la temperatura continua en alza hay otro juego de contactos que daría un disparo estos juegos de contactos al valor de disparo se puede programar.

29 ) Protección preventiva contra las averías mecánicas. Los cojinetes esta sometidos a grandes esfuerzos y periódicamente se deben revisar la grasa y los elementos refrigerantes como agua y la temperatura de estos por medio de termostatos unos calibrados a temperaturas de alarma y otros a disparo de la maquina. 3) Pro tección contra los deterioros internos del aislamiento. Protección diferencial. Esta hace un contraste entre las corrientes a la entrada y a la salida por fase, incluye todo desde los transformadores y alternadores, para la medición de la corriente se utilizan transformadores de corriente, es de acción rápida, cuando hay maquinas acopladas en paralelo solo actúa sobre el interruptor de la maquina afectada. Protección por potencia inversa. Se emplea como protección contra los cortocircuitos entre fases entre espiras y también contra la masa de los arrollamientos, también se miden por trasformadores de corriente y la señal llega a un relé de protección por potencia inversa. Protección contra los efectos a tierra del estator. Un defecto de falla a tierra es la perforación del asilamiento de las espiras hasta alcanzar el entre-hierro, esta es la avería que más se presenta en las maquinas rotatorias por estadística. Se instala un transformador de corriente a un relé de falla a tierra de muy baja relación en el secundario de este en la línea de neutro del generador al cual en el instante de medir una pequeña corriente por este conductor activa la protección la cual es de retardo si la corriente es muy pequeña pero si es alta el tiempo de dispara será menor. Protección contra cortocircuitos entre espiras. Estas fallas se producen en el estator por sobre tenciones atmosféricas o por daños mecánicos al aislamient o. Por esta falla se reduce el numero de voltios por espiras y dependiendo del tipo d e devanado será más notoria. REDES DE TRASMISIÓN Y ACESSORIOS Es la parte de la central relativa a la elevación del voltaje para el transporte de la energía eléctrica los aparatos que conforman esta instalación son: Pararrayos., transformadores de potencia que por lo general son elevadores de tensión, interruptores, aisladores, seccionadores, transformadores de intensidad y de tensión, completan el grupo las barras ómnibus y las conexiones entre los diversos aparatos