OBRAS HIDRÁULICAS. Aprovechamientos hidroeléctricos

Transcripción

1 OBRAS HIDRÁULICAS Aprovechamientos hidroeléctricos

2 Índice 1. INTRODUCCIÓN 2. SISTEMA ELÉCTRICO ESPAÑOL 3. APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS 1. Introducción 2. Análisis de la capacidad de regulación 3. Análisis hidrológico de una cuenca 4. Tipología de los aprovechamientos 4. ELEMENTOS DE LOS APROVECHAMIENTOS 1. Toma 2. Canal de derivación 3. Conducción en presión 4. Equipos de generación 5. PREDIMENSIONAMIENTO TURBINAS

3 Bibliografía Cuesta y Vallarino (2000). Aprovechamientos hidroeléctricos. 2 Tomos. Servicio de Publicaciones del CICCP. Novak. Moffat, Nalluri y Narayanan (2007). Hydraulic Structures. Taylor and Francis. Granados, Garrote, Delgado y Martín (2003). Problemas de Obras Hidráulicas. Servicio de Publicaciones del CICCP. Manuales de referencia del ICOLD, ASCE Más detalles en Presas y Aprovechamientos Hidroeléctricos (4º)

4 INTRODUCCIÓN Agua disponible limitada Necesidad de almacenamientos para diferentes usos: Abastecimiento Industrial Ecológico Regadío Producción eléctrica Demanda variable en el tiempo y espacio

5 SISTEMA ELÉCTRICO Anuario de Red Eléctrica Española (2011)

6 SISTEMA ELÉCTRICO Anuario de Red Eléctrica Española (2011)

7 SISTEMA ELÉCTRICO Características del mercado eléctrico La generación debe satisfacer la potencia demandada muy rápidamente y con calidad: Continuidad Voltaje fijo Frecuencia Fija La energía eléctrica no se almacena

8 SISTEMA ELÉCTRICO CURVA DE CARGA DIARIA: 3 BANDAS CARACTERÍTICAS! " "! " "! " "

9 SISTEMA ELÉCTRICO " " " " " "

10 SISTEMA ELÉCTRICO " " " " " "

11 Índice 1. INTRODUCCIÓN 2. SISTEMA ELÉCTRICO ESPAÑOL 3. APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS 1. Introducción 2. Análisis de la capacidad de regulación 3. Análisis hidrológico de una cuenca 4. Tipología de los aprovechamientos 4. ELEMENTOS DE LOS APROVECHAMIENTOS 1. Toma 2. Canal de derivación 3. Conducción en presión 4. Equipos de generación 5. PREDIMENSIONAMIENTO TURBINAS

12 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Análisis de la capacidad de regulación La regulación sirve para adaptar la oferta a la demanda Anual Hiperanual Objetivo: Conocer el volumen necesario para satisfacer demanda Balance de masas Más detalles: Regulación de Recursos

13 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Análisis de cuencas para uso hidroeléctrico Potencial hidroeléctrico bruto Potencial hidroeléctrico técnico Potencial hidroeléctrico económico

14 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Tipología de aprovechamientos hidroeléctricos A H Q B W = γ QH η Potencia = W = [ W ] = [ J / S] Producción=Energía = [ Wt ] = [ Wh] = [ J ]

15 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Tipología de aprovechamientos hidroeléctricos Saltos a pie de presa Saltos en derivación - fluyentes Salto en derivación con embalse Salto con conducción a presión Centrales reversibles o de bombeo

16 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Salto a pie de presa

17 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Salto a pie de presa

18 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Salto en derivación o fluyente

19 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Salto en derivación o fluyente

20 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Salto en derivación con embalse Con canal de derivación Con galería de presión

21 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Salto en derivación con embalse Con canal de derivación Con galería de presión

22 APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS Central reversible o con bombeo

23 Índice 1. INTRODUCCIÓN 2. SISTEMA ELÉCTRICO ESPAÑOL 3. APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS 1. Introducción 2. Análisis de la capacidad de regulación 3. Análisis hidrológico de una cuenca 4. Tipología de los aprovechamientos 4. ELEMENTOS DE LOS APROVECHAMIENTOS 1. Toma 2. Canal de derivación 3. Conducción en presión 4. Equipos de generación 5. PREDIMENSIONAMIENTO TURBINAS

24 Elementos Azud o presa Toma Derivación En lámina libre : Canal + Cámara de carga + Conducción blindada En presión: Galería de presión + Chimenea de equilibrio + Conducción blindada Central Canal de restitución

25 Tomas Central de Valparaíso

26 Tomas Central de Belesar Central de Yagisawa

27 Tomas con baja sumergencia S = kv D k = 0.54 embocadura simétrica k = 0.74 embocadura asimétrica Embalse de Dinorwig

28 Tomas para azudes

29 Tomas para azudes

30 Rejas y Limpiarejas ΔH = β W b β = /3 senθ v2 2g

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34 Compuertas Permiten vaciado y aislado del canal Vagón Grandes dimensiones Pérdida de carga Gran tamaño Sistema accionamiento Manual (no regulación) Automático (regulación en fluyentes)

35 Desarenadores Necesarios en tomas superficiales Protección equipos electromecánicos V 10W s D 1mm L teórica 10y L práctica 17h

36 Desarenadores

37 Canal de derivación

38 Canal de derivación Proyectado 0.5 1m debajo nivel máximo V=1.5 m/s (<3 m/s) i=0.5 m/km Se suelen revestir e impermeabilizar n= n= n= Hormigón Tierra Roca

39 Cámara de carga Transición entre lámina libre y presión Elementos auxiliares: sistema de decantación, rejas, compuertas y aliviadero Comprobar condiciones de sumergencia para evitar entrada de aire

40 Cámara de carga: Aliviadero Para condiciones de parada de emergencia de las turbinas

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42 Galería en presión Galería excavada en roca Revestidas de hormigón (n=0.015) Revestimiento no está pensado para descompresiones ni cambios de presión bruscos Elemento protección : CHIMENEA DE EQUILIBRIO

43 Galería en presión

44 Chimenea de equilibrio

45 Conducción forzada

46 Conducción forzada

47 Central hidroeléctrica Línea de agua Válvula de guarda (mariposa/esférica) Grupo electromecánico Turbina Alternador Tubo de aspiración Restitución Lámina libre o presión (Chimenea de equilibrio) Equipos protección fauna Elementos de cierre (válvulas + ataguía aislamiento)

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49 Tubo de aspiración

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51 Turbinas + Alternador Turbinas Acción: Flujo en lámina libre. PELTON Reacción: Flujo en presión. FRANCIS o KAPLAN

52 Turbina PELTON: H>>> y Q<<< (lentas)

53 Turbina FRANCIS (rango intermedio)

54 Turbina KAPLAN: H<< y Q>> (rápidas)

55 Q H Ns PELTON < 10 m 3 /s H> 400 m <70 rpm FRANCIS m 3 /s m KAPLAN m 3 /s < 50 m

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57 Elementos de protección 1. Compuerta de toma 2. Válvula de cabecera 3. Válvula de guarda 4. Ataguía o compuerta de desagüe

58 Índice 1. INTRODUCCIÓN 2. SISTEMA ELÉCTRICO ESPAÑOL 3. APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS 1. Introducción 2. Análisis de la capacidad de regulación 3. Análisis hidrológico de una cuenca 4. Tipología de los aprovechamientos 4. ELEMENTOS DE LOS APROVECHAMIENTOS 1. Toma 2. Canal de derivación 3. Conducción en presión 4. Equipos de generación 5. PREDIMENSIONAMIENTO TURBINAS

59 CAUDAL = Aportación / tiempo utilización Fluyente : h /año Central de Puntas: h/año Caudal de equipo Caudal nominal, mínimo y máximo SALTO H : Salto bruto Hi : Salto neto POTENCIA W[kW ] = 9.8 Q m 3 s H [ m] η

60 Q H Ns PELTON < 10 m 3 /s H> 400 m <70 rpm (lenta) FRANCIS m 3 /s m (rápida) KAPLAN m 3 /s < 50 m (rápida)

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63 PROCEDIMIENTO (Cuesta y Vallarino) Determinar la Potencia Determinar la Velocidad específica La velocidad específica no es adimensional!!! N s = N 4 P H 5 SI : P(KW ) : N s = N SI : P(CV ) : n s = N US : P(HP) :n' s = N 4 P KW H 5 P CV 4 H 5 4 P HP H 5 1 W = 735 CV 1 W = 746 HP N s (m,kw ) = n s (CV ) /1.16 N s (m,kw ) = 3.81 n' s (pies, HP)

64 PROCEDIMIENTO (Cuesta y Vallarino) Fórmulas empíricas para el cálculo de la velocidad específica Pelton : N s H Francis : N s 2000 H Kaplan : N s 2419 H Calcular la velocidad de giro aproximada N = N s H 5 4 / P kw

65 Ejemplo: dimensionamiento geométrico TK Rodete

66 Ejemplo: dimensionamiento geométrico TK Cámara espiral

67 Ejemplo: dimensionamiento geométrico TK Tubo aspiración

68 PREDIMENSIONAMIENTO ALTERNADOR En turbinas hidroeléctricas de grandes aprovechamientos se usan alternadores síncronos La velocidad de giro y el número de pares de polos del alternador condiciona la frecuencia de generación de la corriente alterna N = 60 f 2 p N :velocidad de giro - velocidad síncrona (rpm) f: frecuencia corriente (50 Hz) 2p: pares de polos del rotor del alternador

69 EL ALTERNADOR ELEMENTAL

70 EL ALTERNADOR ELEMENTAL INDUCTOR INDUCIDO

71 EL ALTERNADOR DE UNA TURBINA Pares de polos : 2p=1 Pares de polos : 2p=2

72 ESTATOR Elemento inducido ROTOR Elemento inductor

73 ROTORES 6 polos = 2 (2p) 2p = 3 pares de polos Velocidad síncrona: N=3000/3=1000 rpm

74 ROTORES 4 polos 2p = 2 pares de polos N=1500 rpm 16 polos 2p = 8 pares de polos N=375 rpm