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AMHXXII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA

ACAPULCO, GUERRERO, MÉXICO, NOVIEMBRE 2012AMH

Introducción

La obra de generación del P.H. La Yesca está formada por una bocatoma común a las dos tuberías a presión que conducen el agua hasta la casa de máquinas, posteriormente a una galería de oscilación, y finalmente por un túnel de desfogue hasta su descarga al Río.

Cuando se abre el distribuidor que regula el gasto necesario en las turbinas, en la galería de oscilación se produce un incremento o decremento de gasto en los primeros instantes al subir o bajar su nivel, y una vez que la potencia de las turbinas se estabiliza y no hay variaciones de velocidad en el sistema de conducción, se obtiene una línea piezométrica normal que corresponde al nivel de régimen permanente.

El Departamento de Ingeniería Civil de la Subgerencia de Diseños Hidroeléctricos, solicitó al Laboratorio de Hidráulica el verificar el funcionamiento de la galería de oscilación en modelo físico y obtener las pérdidas de carga hidráulica y las fluctuaciones de presión a lo largo de la cámara de oscilación y en el túnel del desfogue de generación.

Objetivo del estudio

Verificar el funcionamiento de la galería de oscilación del desfogue de generación del P.H. La Yesca, obteniendo en la galería, las pérdidas de carga hidráulica y las fluctuaciones de presión, operando en régimen permanente y transitorio.

Descripción de la obra

El proyecto hidroeléctrico La Yesca, contempla la construcción de un aprovechamiento hidráulico para la generación de energía eléctrica, sobre el Río Santiago en el estado de Nayarit, constituido por un(a): cortina formada de enrocamiento bien compactado con cara de concreto como elemento impermeable, tiene una altura de 195,0 m, sobre el cauce del Río y 878 m de longitud de corona. Obra de

generación, La central hidroeléctrica constará de dos unidades turbogeneradoras de 375 MW cada una y generará un promedio de 1210 GWH anuales. La obra ubicada en la margen derecha del Río, la conforma un canal de llamada a cielo abierto, las bocatomas, dos conductos a presión de 7,7 m de diámetro; la casa de máquinas, galería de oscilación, y el túnel de desfogue. El túnel de desfogue que conecta a la galería de oscilación con el Río, presenta en su descarga una geometría de 13 x 14 m en sección portal revestido de concreto, con la elevación de su plantilla a la 381,50 m. El gasto de diseño de cada unidad es de 250 m3/s.

Las bocatomas se localizan en la margen derecha del Río y construidas de concreto reforzado y rejillas metálicas. La estructura de control cuenta con dos compuertas deslizantes de servicio operadas con servomotores. Su conducción de agua hacia la casa de máquinas se hace mediante dos tuberías circulares a presión, construidos de concreto reforzado en su primera parte y posteriormente revestidos con camisa metálica.

La casa de máquinas es subterránea y su ingreso será por un túnel vehicular. La obra se complementa con la galería de oscilación y el túnel de desfogue, ambos excavados en roca.

Se han construido dentro de la galería de oscilación, una serie de puntales para darle soporte a la estructura de la misma.

Descripción del modelo físico

En la selección de la escala del modelo, Le = 50, se tomó en cuenta el espacio disponible en el Laboratorio, el gasto de alimentación del modelo para su ensaye, el costo y tiempo de construcción del mismo, de acuerdo con el siguiente desarrollo se obtuvieron los valores de las escalas de velocidad, gasto y tiempo:

Partiendo de las ecuaciones de cantidad de movimiento y la columna rígida utilizada en fenómenos transitorios se tiene lo siguiente:

FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LA GALERÍA DE OSCILACIÓN DEL P.H. LA

YESCA, EN MODELO FÍSICO

Ochoa Álvarez Federico1

Marengo Mogollón Humberto1

Cortés Cortés, Carlos1

1Comisión Federal de Electricidad, Cananea 101, Col. Lomas de la Selva, Cuernavaca, Morelos, C.P. 62270.

[email protected], [email protected], [email protected]

Palabras clave: galería de oscilación, pérdidas de carga, fluctuaciones de presión, desfogue de generación

RESUMEN

La función principal de la galería de oscilación consiste en hacer que los cambios de velocidad se retrasen, para garantizar la sumergencia mínima de las turbinas. En este artículo se presenta el estudio experimental realizado en Laboratorio de Hidráulica de la Comisión Federal de Electricidad para representar las condiciones hidráulica en el modelo físico y determinar el funcionamiento hidráulico de la galería. Partiendo de las ecuaciones de cantidad de movimiento y columna rígida aplicada a tuberías, se obtienen las condiciones de similitud geométrica, dinámica y cinemática que deben cumplirse en el modelo físico.

Para el estudio del comportamiento de la galería de oscilación, se modelaron condiciones normales de operación así como los casos más desfavorables al presentarse fenómenos transitorios combinados con la operación parcial o total del vertedor de demasías. Estos ensayes corresponden a cierres y aperturas independientes para la condición de operación normal de una unidad.

Las fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y a la salida del túnel de desfogue de generación se registraron mediante la instalación de celdas de presión. En particular se requiere que las fluctuaciones de presión operando en condiciones normales, no sobrepasen el nivel del piso de la casa de máquinas, con lo cual no se compromete la estabilidad de la misma.

De los registros de las tomas piezométricas instaladas a lo largo de los tubos de aspiración, galería de oscilación y túnel de desfogue hacia el cauce, se obtuvieron los perfiles hidráulicos y las pérdidas de carga para las diferentes condiciones de operación con régimen permanente. De la comparación de los resultados de la operación del modelo físico y registros obtenidos en prototipo, se observa una buena similitud entre modelo y prototipo. Con el estudio realizado se verifica un funcionamiento adecuado de la galería de oscilación.



γ AT [ y−(k+ fLDt )V |V|

2 g ]= γ AT L

gdVdt

(1)

Donde γ , peso específico del agua, en m3/s, f , el factor de

fricción, k , factor de perdida, y , tirante, en m, AT , área de la

conducción, en m2, Dt , diámetro de la conducción, en m, V ,

velocidad del flujo, en m/s, t, tiempo, en seg, g, aceleración de la gravedad en m/s2 y L, longitud de la conducción.

γ AT y=γ AT L

gdVdt

(2)

⟹ gy=LdVdt

(3)

gm ym=Lm

dV m

dtm

(4)

1ge Le

gp

y p=t e

Le V e

Lp

dV p

dt p

(5)

1ge Le

=te

Le V e

; Si ge=1

(6)

V e=t e

(7)

Aplicando continuidad

Le3

t e

=V e Le2⟹V e=

Le

t e

(8)

Le

3

t e

=V e Le2⟹V e=

Le

t e

(9)

Pero se sabe que V e=t e

V e=Le

V e

⟹V e2=Le⟹V e=Le

12

(10)

De la ecuación anterior se deducen las condiciones de similitud siguientes:

Qe=V e Le2

(11)

Qe=Le

12 Le

2=Le

52

(12)

V e=1ne

Le

23⟹ne=

1

Le

12

Le

23=Le

16

(13)

t e=V e=Le

12

(14)

Del análisis anterior, los valores calculados de las escalas son los siguientes:

Tabla 1. Escalas obtenidas para la representación del modelo físico.

ESCALA VALOR

Líneas Le = 50

Velocidades Ve = Le0.5 = 7,07

Gastos Qe = Le2.5 = 17677,67

Rugosidades ne = Le0.16 = 1,87

Tiempos Te = Le0.5 = 7,07

En el modelo físico, se representó los tubos de aspiración, la galería de oscilación, el túnel de desfogue, los puntales en el interior de la galería y su descarga en el Río, su disposición geométrica se muestra en la figura 1, y en la foto 1 su instalación.



Para mantener un nivel constante de operación, aguas arriba de la estructura en estudio, se instalaron dos canaletas fijas de cresta recta de 4,5 m de longitud y 0,40 m de ancho. Para limitar el gasto de operación de las turbinas, se instalaron válvulas de bola en las tuberías de alimentación de 6” de diámetro controladas por servomotores y PLCs que regulan la apertura, estos mecanismos regulan los tiempos de apertura y cierre de las válvulas permitiendo las condiciones de rechazo y toma de carga Foto 2.

Para mantener el nivel del agua en el Río, se han instalado dos compuertas, una abatible y otra deslizante de cresta recta.

En el canal de retorno hacia el cárcamo de bombeo, de un metro de ancho, se ha instalado la estructura aforadora, formada por un vertedor triangular de 90°, cuyo vértice se ubica a 0,75 m del piso del canal.

-1.48

0.00

+4.22

-1.48

0.00

PLANTA

PERFIL

GE

G

E

V

AA

B

C

C

B

Figura 1. Modelo físico del desfogue de generación, y la galería de oscilación.

Foto 1. Instalación de la galería de oscilación del desfogue de generación.

Funcionamiento hidráulico

Como actividades previas a la obtención de las pérdidas de carga hidráulica, se realizó la puesta a punto de la instalación:

a. Condiciones de frontera

Se representan en el modelo físico las condiciones de frontera, aguas arriba y abajo del desfogue de la obra de generación, para régimen permanente y transitorio. Para establecer el nivel del agua en el Río, se han instalado dos compuertas, una abatible y otra deslizante de cresta recta que permiten establecer los niveles para gastos de operación bajo condiciones normales y extraordinarias.

b. Equipo de medición y su disposición

La instrumentación del modelo físico consistió en instalar:

A. Celdas de presión en diferentes secciones Figura 2, con el objeto de registrar las fluctuaciones de presión simultánea en la galería de oscilación.

B. Un generador de transitorios para simular la ley de rechazo y toma de carga de las turbinas, formado por:

• Dos Servo-motores, foto 2.

• PLCs con pantalla para modificar parámetros (electrónica del sistema).

• Computadora personal para la captura y almacenamiento de registros.

C. Sistema de Adquisición de Datos, integrado por:

• Computadora personal para el almacenamiento de datos con software de las celdas de presión instalado, para la lectura en tiempo real de las presiones.

• Modulo de conexiones para salidas de celdas RS485 en volts o miliampers

D. Tubos piezométricos, para registrar el perfil hidráulico en la galería de oscilación y en el túnel del desfogue hacia el cauce. Figura 2.

Figura 2. Instrumentación del modelo físico.



Foto 2. Mecanismos de apertura y cierre de las válvulas de bola.

Régimen permanente

De los registros obtenidos del modelo para las diferentes condiciones de operación, se obtuvieron los perfiles hidráulicos del flujo y las pérdidas de carga hidráulica en el desfogue de generación. Las secciones de registro se muestran en la figura 2. La pérdida de carga entre la galería de oscilación y el túnel del desfogue de generación se presentan en la tabla 2. Con objeto de evaluar si los puntales propuestos en el interior de la galería provocaban algún efecto hidráulico importante se realizaron los ensayes para las condiciones de flujo permanente.

La operación del modelo hidráulico para el gasto de operación de 500 m3/s correspondiente a dos turbinas, se aprecia en la foto 3.

En el 2006 se realizó el estudio de la galería de oscilación obteniendo las pérdidas de carga hidráulica al resolver la ecuación de la energía entre la galería y el cauce. En el presente estudio, nuevamente se han determinado las pérdidas de carga al representar los puntales en la galería, en la tabla 2, se presentan los resultados obtenidos para ambas condiciones, con y sin puntales; Como era de esperarse, se obtiene una pérdida de carga mayor para la alternativa con puntales; sin embargo no es significativa ni modifica el funcionamiento de la galería de forma importante.

Tabla 2. Perdidas de carga entre la galería de oscilación y el túnel del desfogue de generación.

Condición Q

V²/2gDH

m3/s m m

Sin puntales

215.04 0.19 0.90

249.72 0.21 1.23

500.00 0.70 1.35

Con puntales

217.60 0.18 1.18

250.00 0.25 1.25

500.00 0.70 1.40

Foto 3. Operación de la galería de oscilación en régimen permanente correspondiente al gasto turbinado de 500 m3/s.

Régimen transitorio

Para el estudio del comportamiento de la galería de oscilación con puntales en el interior de la misma, se modelaron condiciones normales de operación así como los casos más desfavorables al presentarse fenómenos transitorios combinados con la operación parcial o total del vertedor de demasías.

Estos ensayes corresponden a cierres y aperturas independientes para la condición de operación normal de una unidad, considerando un ensaye por cada gasto y tiempo de maniobra requeridos. Los gastos corresponderán al de diseño y al máximo, esto para identificar el nivel mínimo que pudiera perjudicar al tubo de aspiración con presiones negativas. Los tiempos de maniobra requeridos son, para el cierre: 6 s. (Diseño), 12 y 14 s. (este último utilizado durante las pruebas de puesta en servicio de la C.H. El Cajón), las aperturas se realizaron con un tiempo de 12 s. (Diseño) para cada gasto.

Con la instalación de celdas de presión, se obtuvieron las fluctuaciones de presión en la cámara de oscilación y a la salida del desfogue de generación en las figuras 4 y 5 se observa la operación considerando 1 y 2 unidades con un tiempo de cierre de 6 segundos.. En todos los casos a excepción de los ensayes con descarga de la obra de excedencias, el nivel máximo del agua observado no sobrepasa la elevación del piso de maniobras.

La operación del modelo hidráulico para un Q = 500 m3/s y descarga del vertedor de 15110 m3/s, se aprecia en las foto 4.

Además se realizaron ensayes para la operación de la galería con apertura de válvulas con tiempo de 12 s, el resultados se presentan en la figura 6, para un gasto de operación de 500 m3/s.

De los resultados experimentales se realiza una comparación, con lo obtenido teóricamente, y se observa lo siguiente

• De la comparación con lo obtenido teóricamente se observa una concordancia con los periodos de las fluctuaciones, no así con los niveles máximos y mínimos de la oscilación.

• En cuestión de oscilaciones máximas los puntales no afectan o amortiguan estas últimas.



• Existe perturbación dentro de la galería producida por la presencia de los puntales, pero que en los registros de las celdas de presión se ve reflejada en una pérdida mayor.

• La presión a la que estarían sujetos los puntales se puede obtener a través de los registros de las celdas de presión instalados a lo largo de la galería para las diferentes condiciones de operación, no con ello significa que se pueda obtener la oscilación de masas debido a la limitación de la precisión de las celdas.

• El impacto directo en kgs no se puede obtener con las celdas de presión debido a que la escala del modelo no es suficientemente pequeña para que pueda ser determinado de una manera adecuada. Se recomienda utilizar celdas de carga de rangos bajos para obtener estás en estudios similares o posteriores.

388.95

389.00

389.05

389.10

389.15

389.20

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 450.00 500.00

Elev

acio

nes

del a

gua

en m

Tiempo, en s

Fig 2.3.1.2 Fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y en la descarga del desfogue de generación. Ensaye 5, rechazo de carga de la Unidad 2.

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

Ensaye 5Q = 250 m3/sOperando Unidad 2Tiempo de cierre, 6 s

Figura 3. Fluctuaciones de presión para un Q = 250 m3/s y un tiempo de cierre de 6 segundos.

387.00

388.00

389.00

390.00

391.00

392.00

393.00

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 450.00 500.00

Elev

acio

nes

del a

gua

en m

Tiempo, en s

Fig 2.3.1.4 Fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y en la descarga del desfogue de generación. Ensaye 7, rechazo de carga de las dos unidades.

C1

C3

C4

C5

C6

C7

C8

Ensaye 7Q = 500 m3/sOperando dos unidadesTiempo de cierre, 6 s

Figura 4. Fluctuaciones de presión para un Q = 500 m3/s y un tiempo de cierre de 6 segundos.

Foto 4. Operación para un Q = 500 m3/s de para dos unidades y un gasto extraordinario por el vertedor de 15 110 m3/s.

414.00

416.00

418.00

420.00

422.00

424.00

426.00

428.00

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 450.00 500.00

Elev

acio

nes

del a

gua

en m

Tiempo, en s

Fig 2.3.1.6 Fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y en la descarga del desfogue de generación. Ensaye 9, rechazo de carga de las dos unidades con descarga total del vertedor.

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

teorico

Ensaye 9Qt = 500 m3/sQv = 15110 m3/sOperando dos unidadesTiempo de cierre, 6 s

Figura 5. Fluctuaciones de presión para un Q = 500 m3/s y descarga del vertedor de 15 110 m3/s, para un tiempo de cierre de

6 segundos.

387.50

388.00

388.50

389.00

389.50

390.00

390.50

391.00

391.50

392.00

392.50

393.00

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 450.00 500.00

Elev

acio

nes

del a

gua

en m

Tiempo, en s

Fig 2.3.1.18 Fluctuaciones de presión en la galería de oscilación y en la descarga del desfogue de generación. Ensaye 21, toma de carga de las dos unidades.

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

Ensaye 21Q = 500 m3/sOperando las dos unidadesTiempo de apertura, 12 s

Figura 6. Fluctuaciones de presión para un Q = 500 m3/s, para un tiempo de apertura de 12 segundos.

Se realizaron pruebas en al C.H. El Cajón en el año 2007, con la finalidad de determinar el comportamiento hidromecánico eléctrico de las dos unidades al someterlas a diferentes condiciones de operación (25, 50, 75 y 100% de la potencia), en la cual se registraron los niveles del agua en la galería y cauce para cada maniobra de puesta en servicio. En la figura 7 se muestran los registros obtenidos con celdas de presión colocadas dentro de la galería.



Como se observa en la figura 7 se presenta una oscilación máxima y mínima al inicio de las pruebas que posteriormente se desplaza hacia aguas abajo, amortiguándose las oscilaciones casi de manera inmediata. Esta experiencia permitió representar en el modelo físico de mejor manera la condición aguas abajo del desfogue de generación, al construir un canal lo suficientemente largo para amortiguar las oscilaciones en el cauce y no se produzcan ondas de reflexión al final de la pared.

Figura 7. Perfil hidráulico en la galería de oscilación de la C.H. El Cajón, operando la unidad uno al 100% de su potencia.

Conclusiones

Del funcionamiento hidráulico del desfogue de la obra de generación, construido a una escala Le = 50, se obtuvo la siguiente información:

A. Régimen permanente

Las pérdidas de carga hidráulica, con el nivel del embalse NAMO, elev 391,00, varían con el nivel del río y con la operación de las obras de toma. De la geometría en la que se colocan puntales en el interior de la galería ensayada, las pérdidas de carga obtenidas varían de 0,90 a 1,35 m para la geometría sin puntales, y de 1,18 a 1,40 m para la geometría con puntales, por lo cual existe un incremento en las pérdidas al considerar la instalación de los puntales en el interior de la galería. Esto se observa en el modelo con un aumento en el nivel del agua en el interior de la galería.

B. Régimen transitorio

Las fluctuaciones de presión al simular las condiciones de operación con la instalación de los puntales son similares a la geometría sin puntales, por lo que en apariencia no existe afectación de los mismos en la operación de la galería y del desfogue de generación.

De la comparación de los resultados con y sin puntales en las condiciones extraordinarias de operación de las turbinas, se observa una similitud. La oscilación de masas en el interior de la galería no pudo ser obtenida con las celdas de presión por la escala a la que está construido el modelo. Para la obtención de ellas se tendría que construir un modelo hidráulico a una menor escala o en su defecto instalar celdas de carga con rangos bajos.

En todos los casos, a excepción de los ensayes con descarga de la obra de excedencias, el nivel máximo del agua observado no sobrepasa la elevación del piso de maniobras.

Para obtener la presión a la que estarían sujetos los puntales se puede obtener a través de los registros de las celdas de presión instalados a lo largo de la galería para las diferentes condiciones de operación. El impacto directo en los puntales no pudo ser obtenido debido a las limitaciones en equipamiento del modelo. Para la obtención del impacto será necesario el instalar en los extremos de la galería celdas de carga que registrarán fuerzas ejercidas en las paredes para las condiciones de operación que se ensayen.

El comportamiento en general de la galería de oscilación y del desfogue de generación es adecuado, considerando la instalación de puntales para fines estructurales, sin tener afectación hidráulica. El estudio permitió verificar el modelo físico y al compararlo con experiencias de medición obtenidas en campo, realizadas a la galería de oscilación de la C.H. El Cajón se puede apreciar una similitud bastante aceptable, considerando que ambas obras son del mismo tipo y coincidentemente de similares dimensiones.

Con lo anterior se logra validar el modelo físico en la representación de las condiciones de frontera para la simulación de los transitorios en túneles con descarga a superficie libre.

Referencias

1.- Maza A. y Camargo H. (1983), “Manual de Obras Civiles, A.2.11, Hidráulica Fluvial”, Instituto de Investigaciones Eléctricas, C.F.E. (1983).

2.- Maza A. y Franco V. (1981). “Manual de Obras Civiles, A.2.15, Técnicas Experimentales”, Instituto de Investigaciones Eléctricas, C.F.E. (1981)

3.- Díaz S. y Sosa R. (1981), “Manual de Obras Civiles, A.2.5, Cámaras de Oscilación”, Instituto de Investigaciones Eléctricas. (1981).

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