CENTRALES

HIDRÁULICAS

CAPITULO III

3.1 INTRODUCCIÓN.- Las primeras centrales de generación desde que se descubrió la electricidad

fueron las hidroeléctricas de baja potencia.- La ingeniería y diseño era local y regional de los Municipios, generación

aislada, posteriormente se interconectaron.- La energía hidroeléctrica es la de menor costo en la actualidad, especialmente

en lugares no interconectados a los sistemas nacionales. Comparando con los costos de combustibles y transporte para las térmicas.

- Existen pequeñas centrales hidroeléctrica clasificadas según la OLADE en :

Tipo Potencia (kW) Usuario

Picocentrales(PicoCHE)

0,5 y 5 Finca o similar

Microcentrales(MicroCHE)

5 y 50 Caserío

Minicentrales(MiniCHE)

50 y 500 Cabecera Municipal

PequeñasCentrales (PCH)

500 y 10000 Municipio

La aplicación de las pequeñas centrales hidroeléctricas, básicamente se dan en lugares que no tienen acceso a la interconexión al SEP.

Las principales ventajas : mejorar nivel de vida de la comunidad, disponer de servicios públicos básicos, impulso de desarrollo agroindustrial o pesquero, etc.

En cambio las Desventajas: Costo de kW instalado alto, ejemplo:

La energía eléctrica ha sido factor decisivo para mejorar la calidad de vida, sin embargo causa un impacto al medioambiente. Por eso es necesario tener acceso a la energía de fuentes de bajo impacto ambiental.

Principio de funcionamiento.-- La energía cinética del agua es energía en movimiento y es una función de la

masa y la velocidad, en tanto que la energía potencial es una función de la diferencia en nivel o altura del agua entre dos puntos.

- Las lluvias son la fuente primaria de agua de debe asegurarse el abastecimiento continuo de agua para la generación hidroeléctrica, depende de: Intensidad de la lluvia, tiempo de distribución, topografía del terreno.

- La potencia obtenida del agua es convencional, renovable, limpia y libre de contaminantes y generalmente con buenos efectos ambientales.

En el esquema general de una instalación hidroeléctrica, la energía hidráulica es convertida en mecánica por la turbina y esta a su vez en eléctrica por el generador.

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Ventajas de las Plantas Hidroeléctricas:

- Vida útil alrededor de 50 años contra 30 de una térmicas.- No requieren combustible, costos de operación bajos.- Se puede arrancar rápidamente y sincronizar en minutos, las térmicas más

demorado.- Más robustas que las termicas.- Costos de mantenimiento más bajos.- La eficiencia no se reduce con la edad.- Los proyectos hidroeléctricos son por lo general de multipropósito, control

inundaciones, riego, etc.

Desventajas de las Plantas Hidroeléctricas:

- El costo del kW de la planta es considerablemente mayor.- Dependencia del agua para la generación.- La capacidad de potencia base de la plantas hidroeléctricas es baja, por lo que

debe ser respaldada por las térmicas.- Tiempo de construcción mucho mayor las térmicas por la obra civil.- El almacenamiento de agua requeire grandes áreas de inundación.

Selección del sitio para la planta hidroeléctrica.- Se deben considerar los siguientes factores:

1) Disponibilidad de agua. Las estimaciones se realizan sobre la cantidad promedia al año para:

a) Decidir la capacidad de la planta hidroeléctrica.b) Ajustar el valor de la carga pico con otras centrales de vapor o gas.c) Proporciona adecuadas compuertas en períodos de inundación.

2) Almacenamiento de agua. Por la variación de lluvias es necesario almacenar el agua para la generación contínua. Los dos tipos de almacenamiento son:

a) El almacenamiento se construye para que exista disponibilidad por un año, la cuenca de almacenamiento, al principio del año llena y al final vacía.

b) La cuenca se construye de tal manera que el agua esta disponible en suficiente cantidad aun durante los períodos de sequía.

3) La caída de agua.- Para la generación se necesita una gran cantidad de agua o una caída suficiente, mientras más grande es la caída disminuye el agua requerida para las turbinas.

4) La accesibilidad del sitio.- Debe tener acceso fácil, por carretera o ferrocarril con fines de construcción y transporte de energía.

5) Distancia con respecto al centro de carga.- En lo posible la plante deberá estar cerca de la carga para reducir los costos de las líneas de transmisión.

6) Tipo de terreno.- Debe ser barato y rocoso, en lo posible en donde la cortina tenga una gran área de almacenamiento a mucha altura.

a) La roca debe ser lo suficientemente fuerte para soportar los esfuerzos transmitidos de la estructura de la cortina y empuje del agua.

b) La roca en la cimentación de la cortina debe ser razonablemente impermeable.c) La roca debe permanecer estable bajo todas las condiciones.

Elementos esenciales de una planta hidroeléctrica.

- Cuenca o área de captación.- La presa o embalse- La cortina.- Canales- Canalizaciones.- Tanques de oscilación.- Turbinas o primotores.- Tubos de aspiración.- Casa de máquinas y equipos.

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3.2 La potencia a partir del agua.

La energía hidráulica suministrada a la turbina equivale al peso del agua “m” que se desplaza en el tramo comprendido entre la entrada del agua y la salida.

𝐸𝐻 = 𝐻𝑒𝑠𝑡 ∗ 𝑚 𝐻𝑒𝑠𝑡 = 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎

La altura estática es la diferencia entre el NS nivel superior y NI nivel inferior

𝐻𝑒𝑠𝑡 = 𝑍𝑁𝑆 − 𝑍𝑁𝐼

𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝑉

El volumen del agua V corresponde al producto del caudal Q en una magnitud de tiempo:

𝑉 = 𝑄 ∗ 𝑡

𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1

𝑔 = 𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑= 9,81

𝐸𝐻 = 𝐻𝑒𝑠𝑡 ∗ 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝑄 ∗ 𝑡

La energía hidráulica dividida para el tiempo se obtiene la potencia hidraúlica:

𝑃𝐻 =𝐸𝐻𝑡= 𝐻𝑒𝑠𝑡 ∗ 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝑄

𝑃𝐻 = 9,81 ∗ 𝐻𝑒𝑠𝑡 ∗ 𝑄 (𝑘𝑊)

𝑄 (𝑚3

𝑠) 𝐻𝑒𝑠𝑡 (m)

En la ecuación de la potencia hidráulica la altura estática no incluye las pérdidas por longitud y accesorios en la tubería de presión, además no considera el efecto del gradiente cinético en la tubería de presión y la recuperación de parte de la energía cinética del agua a la salida del tubo de succión.

Considerando las pérdidas por longitud y accesorios Δh

𝑃𝐻 = 9,81 ∗ (𝐻𝑒𝑠𝑡−Δh) ∗ 𝑄 (𝑘𝑊)

El efecto del gradiente cinético se refiere a la diferencia de velocidades entre la toma de agua y el final de la tubería de presión. Considerando las pérdidas por longitud y accesorios Δh

La energía aportada por el tubo de succión es importante en centrales de baja caida, en esos casos que la energía puede ser un 50 a un 90% de la energía total. En centrales de mediana y gran caída la recuperación de energía en la tubería de succión no es relevante.

3.3 Ciclo hidrológico, Selección del sitio para una planta hidroeléctrica.

Hidrología.- Trata la ocurrencia y distribución del agua sobre y debajo de la superficie de la tierra, los aspectos más importantes son:

Precipitación.- es la condensación total de humedad que alcanza la tierra (lluvia).Evaporación.- los aspectos que deben considerarse con la evaporación son:- La evaporación de las superficies del suelo y el agua.- Evaporación por transpiración de la materia vegetal.- La evaporación atmosférica mientras la precipitación cae.Escurrimiento.-

Escurrimiento= Precipitación total – Evaporación total

Escurrimiento total =Escurrimiento directo sobre la superficie del terreno + Escurrimiento a través de filtración.

Flujo de Corriente.- Es la cantidad de agua que fluye en un arrollo o canal y su variación con el tiempo. Con el análisis de flujo se puede preparar la siguiente información:- Energía promedio anual disponible.- Energía mínima anual disponible y capacidad firme.- Energía adicional e incremento en capacidad de almacenamiento posible con

almacenamiento de reserva.- Capacidad de reserva de almacenamiento para igualar el flujo a un mínimo dado.- Capacidad de desague.- Capacidad de almacenamiento de control de inundaciones.

Se debe hacer una investigación por un período de al menos 20 años para cubrir las condiciones mínimas y máximas del flujo.

El flujo mínimo y el almacenamiento fijan la cantidad de potencia primaria disponible, es la capacidad de la planta hidroeléctrica.

La potencia adicional disponible durante los flujos de agua altos se llama potencia secundaria.

La estimación del flujo promedio ayuda en la decisión de la potencia de la planta.

Hidrografía.- Muestra la variación del flujo de corriente en m^3/ s con el tiempo, proporciona la siguiente información:- La descarga en cualquier momento durante el período bajo consideración.- El escurrimiento máximo y mínimo durante el período.- El escurrimiento medio durante el período.- El volumen total de flujo hasta cualquier tiempo esta dado por el área bajo la

curva hasta ese tiempo.

Determinación de los requerimientos de almacenamiento a partir de al hidrografía.Muestra la hidrografía mínima de un año expresada mensualmente para un río típico.

Ejemplo: La tasa promedio del flujo de entrada durante los doce meses de año para un río, son los indicados a continuación:

Mes m^3/s Mes m^3/s

Enero 1000 Julio 2400

Febrero 800 Agosto 2400

Marzo 600 Septiembre 1000

Abril 400 Octubre 400

Mayo 400 Noviembre 400

Junio 1200 Diciembre 1000

Dibujar el histograma, calcular el flujo promedio de entrada y el calor de la potencia que se puede desarrollar con una caída efectiva de 150m con una eficiencia de grupo turbo generador de 0,85. Calcular la capacidad de la cuenca o embalse basándose en los datos de 1 año dados en la tabla.

a) El índice promedio de flujo de entrada es: 1000 m^3/s

b) 𝑃𝐻 = 9,81 ∗ 𝐻𝑒𝑠𝑡 ∗ 𝑄 ∗ 𝑛 (𝑘𝑊)

𝑃𝐻 = 9,81 ∗ 150 ∗ 1000 ∗ 0,85 (𝑘𝑊)

𝑃𝐻 = 1250775 (𝑘𝑊)

𝑃𝐻 = 1250.77 (𝑀𝑊)

3.4 Elementos, Arreglo esquemático, Clasificación.

Las plantas hidroeléctricas pueden tener varios arreglo o variantes, en términos generales el almacenamiento de agua se realiza construyendo la cortina y un tunelde presión hacia la tubería de descarga, pasando por el pozo de control de oscilaciones y llegando a la máquina, a continuación algunos esquemas.

Los elementos de una planta hidroeléctrica consisten en :- Una Presa o

almacenamiento de agua.- Una cortina de dispersión.- Una infraestructura de

ingreso para controlar y regular el agua.

- Un sistema de transporte para llevar el agua desde la entrada a la turbina.

- La turbina acoplada con el generador.

- El canal de evacuación.- Equipo misceláneo en la

casa de máquinas para operar el generador

Las partes principales y algunas de las variables que intervienen en los estudios de diseños se muestran:

Algunos tipos de cortina:

Clasificación de las plantas hidroeléctricas.Depende de acuerdo a la regulación del fluido:1.- Plantas con escurrimiento en río sin estanque, usan el agua como viene, sin presa, no hay control del flujo de agua, en períodos altos de flujo el agua es desperdiciada, por esta razón estas plantas tienen una capacidad firme o de base muy pequeña. Se pueden construir a un costo considerablemente bajo, sin embargo la potencia generada es también baja.2.- Plantas con escurrimiento en río con estanque.- El estanque incrementa la capacidad firme de la planta, estas plantas sirven para cargas base o pico dependiendo del flujo de corriente, cuando se tiene disponible la totalidad del agua se usa como carga base, y cuando el flujo de corriente disminuye se la hace trabajar como carga pico.

Clasificación de acuerdo a la carga:- Plantas de carga base.- Plantas de carga pico.- Plantas de bombeo con almacenamientoClasificación de acuerdo a la caída:- Plantas de baja caída.- Plantas de caída media.- Plantas de gran caída o altura.

3.5 Turbinas, velocidad, tipos de turbias: Pelton,Francis, propulsión, Kaplan.Las turbinas hidraúlicas tiene una eficiencia alta excede al 90% a plana carga, su control es simple, se pueden construir en todos los tamaños, hasta alrededor de 1000MW con velocidades desde 100 RPM hasta 1000RPM.Pueden clasificarse como como turbinas de propulsor y turbinas de reacción y pueden ser verticales u horizontales, las de eje horizontal operan a más grandes velocidades teniendo generadores más pequeños.Las verticales requieren chumaceras de carga capaces de soportar cargas pesadas operan a velocidades bajas.

Velocidad específica.- Se define a la velocidad del modelo a escala de una turbina que desarrolla 1HP bajo una caída de 1 m.

𝑁𝑠 =𝑁 𝑃𝑡

𝐻1,25

Ns= Velocidad específica en unidades métricas.N= Velocidad de la turbina en RPM.Pt=Potencia de salida en HP.H=Altura o caída especifica en metros.