Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos

Transcripción

1 Obras Hidráulicas Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos 18/11/2011 Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

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3 La energía en la Historia La tracción animal El fuego El viento y la energía hidráulica Máquina de vapor (s. XVIII): Convertir energía calorífica en mecánica. Dinamo, corriente alterna y transformadores (segunda mitad s. XIX). Convertir energía mecánica en corriente eléctrica Elevar la tensión para reducir las pérdidas y permitir el transporte

4 Tipos de centrales eléctricas Térmicas y Nucleares Hidroeléctricas Otras

5 Central térmica

6 Térmica de vapor (convencionales) Combustible: carbón, fuel o gas (menos habitual). Rendimiento % Potencia usual 500 MW 1000 MW Rigidez de funcionamiento Tiempo de arranque a plena potencia de 6 a 10 horas Variaciones de carga: entre 1%/minuto y 4%/minuto

7 Central nuclear

8 Centrales nucleares En España: 6 centrales en funcionamiento con 8 reactores. Son de 2 tipos: De agua ligera en ebullición (BWR). Santa María de Garoña, 1 x 466 MW (1970). Cofrentes, 1 x MW (1984). De agua ligera a presión (PWR) José Cabrera, 1 x 150 MW. (1968 a 2006) Almaraz, 2 x 980 MW (1980 y 1983) Ascó, 1.032, ,2 (1982 y 1985) Vandellós II, 1.087,1 MW (1987) Trillo, 1 x MW(1987, última puesta en marcha en España). Producen en torno al 20 % de la energía eléctrica Rigidez de funcionamiento

9 Central de ciclo combinado

10 Ciclo combinado Combustible: gas Rendimiento 49-58% Potencia usual MW Mayor flexibilidad Tiempo de arranque a plena potencia de 2 horas Variaciones de carga: 10%/min

11 Ciclo combinado Eficiencia (%) Costes de inversión ( /kw) Plazo de ejecución (meses) Ciclo Combinado Central de carbón Central nuclear 34 >

12 Otras Eólica Biomasa Cogeneración Centrales de combustión interna Geotérmicas Maremotrices Solar Térmica Fotovoltaica

13 Central eólica

14 Central de biomasa

15 Central solar fotovoltaica

16 Central solar térmica

17 Central hidroeléctrica

18 Central hidroeléctrica de bombeo

19 Central hidroeléctrica Rango amplio de potencia Tipos de centrales hidroeléctricas MW (Aldeadávila) Fluyentes: sin posibilidad de embalse. Rígidas. De regulación: con capacidad de embalse. Flexibles De bombeo: consumen energía para devolverla más tarde Rendimientos turbina 93% / bomba 75 %

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21 Características del mercado eléctrico Imposibilidad de almacenar la electricidad: igualación instantánea entre oferta y demanda Es necesario una capacidad de producción excedentaria Los ajustes se realizan desde la oferta Coexistencia de diversas tecnologías

22 OMIE. Formación del precio

23 OMIE. Precios diarios e intradiarios

24 REE. Servicios de ajuste del sistema Gestión de desvíos Regulación primaria Regulación secundaria (2 minutos) Regulación terciaria (15 minutos)

25 CNE Prima Incentivo Reactiva

26 Curva de carga Dos situaciones: Potencia centrales rígidas < potencia mínima Potencia centrales rígidas > potencia mínima

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35 Ajuste del sistema

36 Evolución de la potencia instalada (I)

37 Evolución de la potencia instalada (II)

38 Coste de generación de la energía eléctrica Tipología Costes de Costes de instalación operación y Costes de TOTAL mantenimient combustible Observaciones min max media o horas $/kw $/kw $/kw c$/ kwh $/kwc$/ kwh c$/ kwh c$/ kwh Térmica de carbón 1.300, , ,00 2,10 24,00 0,40 1,20 3,70 Se gravarán para compensar emisiones CO ,57 Turbina de gas 300,00 500,00 400,00 2,00 10,00 0,60 4,80 7,40 Sensibles al precio del gas 1.734,48 Ciclo combinado 400,00 800,00 600,00 1,70 12,00 0,40 2,80 4,90 Sensibles al precio del gas 3.060,85 Elevados costes en el pasado por modificaciones Nuclear 4.000,00 4,40 60,00 0,80 0,60 5,80 debidas a requerimientos de seguridad 7.884,00 Hidráulica 1.500, , ,00 5,10 20,00 0,70 0,00 5, ,85 Eólica 800, , ,00 4,80 26,00 1,20 0,00 6,00 Baja utilización anual 2.168,10 Solar fotovoltaica 4.500, , ,00 24,90 10,00 0,60 0,00 25, ,45 Solar térmica 2.000, , ,00 10,00 50,00 1,90 0,00 11, ,72 Fuente: "The economics of generation technologires: present and future"

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40 Tipología de aprovechamientos hidroeléctricos Aprovechar la energía potencial del agua en lugar de dejar que se disipe por el río mediante: Saltos de pie de presa (Hmaxy Hmin=0,5 Hmax) Saltos en derivación Saltos en derivación con conducciones en lámina libre Saltos en derivación con conducciones en presión Centrales subterráneas Centrales de bombeo y centrales reversibles

41 Elementos obra hidráulica Presa o azud Derivación Canal de derivación y cámara de carga Galería de presión y chimenea de equilibrio Tubería forzada Central Canal de descarga

42 Elementos de cierre y protección Compuerta de toma Válvula de cabecera Válvula de guarda Ataguía o compuerta de desagüe

43 Fundamento Potencia Caudal: Característica de la cuenca Salto neto Diseño Pérdidas de carga. Rendimiento Selección máquinas P = γ Q H η

44 Caudal Caudal natural Caudal ecológico y servidumbres Caudal turbinable > caudal turbinado

45 Caudales naturales Qué se necesita conocer? Caudales para explotación normal Caudales para avenidas De dónde se obtienen? Datos foronómicos Pluviométricos Correlaciones Fórmulas empíricas para avenidas

46 Caudales ecológicos Estudios de impacto ambiental Metodología IFIM- PHABSIM 18/11/2011 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

47 Caudales turbinables

48 Caudal de diseño Número de grupos Reparto de caudales Tipo de turbina Caudal máximo Caudal mínimo Ratios típicos Horas equivalentes a /11/2011 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

49 Curva de caudales clasificados

50 Salto Salto bruto Nivel del agua en la toma Nivel de agua en la restitución Índice concesional: Q x H Anteproyecto Concesión Proyecto constructivo (10%)

51 Salto útil y salto neto Diseño obra hidráulica Estimación de pérdidas de carga Rango de funcionamiento

52 Tipo de máquina Turbina Pelton: H>> y Q << Francis: rango intermedio Kaplan: H<< y Q >>

53 Turbina Pelton

54 Turbina Francis

55 Turbina Kaplan

56 Turbina Kaplan

57 Rendimientos Turbinas: 93% Alternadores: 97% Transformadores: 98% 100% 95% 90% 85% Curvas de rendimientos de las turbinas Pelton Turgo Ossberger Francis Kaplan Semikaplan Hélice Rendim iento 80% 75% 70% 65% 60% 55% 50% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% % s/ caudal máximo

58 Disposición de máquinas Eje horizontal Eje vertical Velocidad de giro: Mayor velocidad > Menor coste alternador Mayor velocidad > Mayor coste obra civil Solución de compromiso

59 Curva caudal vs potencia

60 Producción

61 Elementos obra hidráulica Azud o presa Toma Derivación: En lámina libre Canal Cámara de carga En presión Galería de presión Chimenea de equilibrio Conducción blindada Tubería forzada Central Restitución

62 Azud o presa Elevar la lámina Embalsar agua Referencias originales

63 Toma Tipos: Superficiales Profundas Elementos Rejas y limpiarrejas Compuertas

64 Reja De gruesos De finos Evitar entrada de troncos, hojas, peces (Ley pesca fluvial) Diseño a baja velocidad para: Reducir pérdidas de carga Facilitar limpieza Capacidad de natación de la fauna Limpiarrejas automáticos 18/11/2011 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

65 Reja

66 Compuertas Vagón Tamaño: Pérdidas de carga Coste Sistema de accionamiento: Manual Automático: función de regulación Eléctrico Oleohidráulico Sistema de seguridad

67 Desarenador Caudal sólido del río Protección de equipos electromecánicos 18/11/2011 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

68 Derivación Lámina libre A presión

69 Derivación en lámina libre Canal Velocidad (1,50 m/s) Canal de hormigón. Manning (0,012 0,013) Pendiente (0,5 m/km) Anchura (tránsito interior) Cámara de carga Volumen (120 Q) Sumergencia Disparo turbina Tubería paralela Válvulas descarga Recrecido canal Reja y limpiarrejas

70 Canal

71 Limpiarrejas

72 Derivación en presión Pozo de toma Galería (túnel) Sección (v=3,0 m/s) 18/11/2011 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

73 Chimenea de equilibrio Golpe de ariete Oscilación en masa Cámara superior Cámara inferior 18/11/2011 E.T.S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

74 Conducción blindada

75 Tubería forzada Velocidad (3,50 m/s - 5,00 m/s) Golpe de ariete (20% - 40 %) Diseño estructural Presión Temperatura Vacío y cargas exteriores Macizos de anclaje Dados de apoyo Protección anticorrosiva: pinturas y protección galvánica

76 Tuberíaforzada

77 Tubería forzada

78 Central Línea de agua Válvulas de protección: mariposa, esférica By-pass Grupo turbina alternador Altura de aspiración Velocidad de giro: f= N 2p / 60 Cono de aspiración Válvulas de descarga Función by-pass Atenuar golpe de ariete: Chorro hueco - Paso anular

79 Central

80 Central

81 Central

82 Restitución Lámina libre, a presión: chimenea de equilibrio Aspectos medioambientales: Reducir efecto llamada Reja de protección ictiofauna Ataguías de aislamiento

83 Restitución

84 Central Grupo de accionamiento Acumuladores Presión de diseño / diámetro cilindros / empaquetaduras Acumuladores Alternadores Síncronos Asíncronos Cojinetes Grupo de lubricación Grupo de refrigeración aceite Refrigeración devanados

85 Central

86 Central

87 Sistema eléctrico Línea de conexión Transformador principal Transformador servicios auxiliares Protecciones Cabinas Sistema de baterías Explotación automática Sensores Autómata

88 Sistema eléctrico

89 Sistema eléctrico

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