IAHR AIIH

XXIV CONGRESO LATINOAMERICANO DE HIDRÁULICA

PUNTA DEL ESTE, URUGUAY, NOVIEMBRE 2010

SISTEMAS DE DESVÍO EN PLANTAS HIDROELÉCTRICAS

Oscar Jiménez Ramírez Carbon Ingeniería, Costa Rica, osjime@ice.co.cr

RESUMEN:

Es frecuente que los proyectos hidroeléctricos se desarrollen en “cascada”. Esto significa la

construcción de dos o más plantas en serie, en donde la segunda planta utiliza directamente las

aguas descargadas por el primero. Si la planta aguas arriba está indisponible, hay que asegurarse

que la de aguas abajo pueda disponer del caudal para generación, lo cual puede requerir poder

desviar las aguas a presión hacia la planta aguas abajo. Esto es lo que se denomina un sistema de

desvío (o “by-pass” en inglés).

Cualquier sistema de desvío debe considerar dos elementos básicos: a) Un sistema de control de

flujo, y b) Un sistema de disipación de energía. En el pasado se han utilizado varias opciones, una

de los más comunes es el uso de válvulas cónicas (o Howell Bunger), que descargan a embalses, o

bien a estructuras de disipación especiales.

En otras aplicaciones en donde no se dispone de un embalse o bien hay que disipar altas cargas,

algunas plantas tienen turbinas equipadas con válvulas sincrónicas, las cuales pueden cumplir

parcialmente la función de desvío del agua. Su desventaja es que en general están diseñadas para

utilizarlas por poco tiempo (minutos), pues están sujetas a vibraciones severas y a cavitación, al no

contar con mecanismos eficientes de disipación de energía.

En este trabajo se exponen algunas experiencias en el uso de válvulas tipo “Monovar”, que ha

resultado muy conveniente para el control y disipación del flujo en plantas de alta caída. Los

ejemplos discutidos muestran que este tipo de válvulas funcionan muy bien, minimizando los

problemas de vibraciones y cavitación.

ABSTRACT:

Very often hydroelectric powerplants operate in series, as a cascade of two or more plants. In this

arrangement, the upstream plant discharges directly into the downstream one. If the upstream

powerplant is unavailable, there should be a mean to discharge the water to the downstream one,

often call a by-pass system. This paper discusses two instances in which “Monovar” type valves had

been used for control and energy dissipation in high head powerplants. This examples show that this

type of valves are very suitable, minimizing vibration and cavitation problems.

PALABRAS CLAVES:

Válvulas, Monovar, Disipación

Sistemas de Desvío en Plantas Hidroeléctricas, XXIV Congreso Latinoamericano de Hidráulica, Uruguay,

nov. 2010

[2]

INTRODUCCIÓN

Es frecuente que los proyectos hidroeléctricos se desarrollen en “cascada”. Esto significa la

construcción de dos o más plantas en serie, en donde la segunda planta utiliza directamente las

aguas descargadas por el primero.

Si la planta aguas arriba está indisponible, hay que asegurarse que la de aguas abajo pueda disponer

del caudal para generación, lo cual puede requerir poder desviar las aguas a presión hacia la planta

aguas abajo.

En este trabajo se exponen algunas experiencias en el uso de válvulas tipo “Monovar”, que ha

resultado muy conveniente para el control y disipación del flujo en plantas de alta caída.

ANTECEDENTES

Cualquier sistema de by-pass debe considerar dos elementos básicos:

a) Un sistema de control de flujo, y

b) Un sistema de disipación de energía.

Existen varias opciones que en el pasado se han utilizado para este propósito. Uno de los más

comunes es el uso de válvulas cónicas (o Howell Bunger), que descargan a embalses, o bien a

estructuras de disipación especiales. En el caso de descarga a embalses, la disipación se hace a

partir de la fricción del chorro cónico con la atmósfera, y luego contra el agua almacenada. En el

caso de descarga a estructuras especiales, se trata de cámaras disipadoras, la mayoría de las veces

desarrolladas mediante modelos hidráulicos reducidos.

Por ejemplo, Peterka (1984), presenta una estandarización para el caso de válvulas de chorro hueco

de relativa baja caída (caídas de hasta 120 m y razón de H/D<65, en donde H es la caída y D es el

diámetro de la válvula). Sin embargo, este tipo de válvulas ya no se utilizan.

Aragón (1991) trata sobre el uso de válvulas cónicas y especialmente sobre dos experiencias de

laboratorio y prototipo de las que obtuvo criterios para dimensionar la cámara disipadora. Según

esta referencia, el parámetro geométrico principal para dimensionar los disipadores es H/Dv en

donde H es la carga neta en la válvula y Dv es su diámetro. En la Fig. 1 se muestra un ejemplo del

tipo de estructura resultante. En la Fig. 2 se muestra un detalle de la válvula, que además incluye

una “pre-cámara” que concentra y dispersa el chorro, logrando una disipación inicial del chorro,

antes de ingresar a la cámara disipadora.

En la Tabla 1 se muestra el parámetro H/Dv para los dos proyectos en los cuales se hicieron ensayos

de laboratorio para seleccionar las dimensiones del cuenco disipador

Tabla 1.- Presión a disipar y diámetro de la válvula

Proyecto Presión Diámetro H/Dv

(m) (m)

Arenal 213 2.00 107

Toro 180 0.90 200

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Figura 1.- Sistema de desvío con uso de válvula cónica y disipador

Figura 2.- Sistema de desvío, ejemplo de detalle de válvula cónica y precámara

Estos y otros parámetros se obtuvieron a partir de las recomendaciones de estos estudios y con las

cuales finalmente se obtuvieron las dimensiones en las Figs. 3 y 4.

Las experiencias en prototipo de este sistema de desvío han sido muy buenas, aunque tiene la

desventaja de que la cámara de disipación resulta en una estructura de dimensiones considerables.

En otras aplicaciones algunas plantas tienen turbinas equipadas con válvulas sincrónicas, las cuales

pueden cumplir parcialmente la función de desvío del agua. Su desventaja es que en general están

diseñadas para utilizarlas por poco tiempo (minutos), pues están sujetas a vibraciones severas y a

cavitación, al contar con mecanismos eficientes de disipación de energía.

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Ancho del cuenco

y = 0.7502x0.4103

R2 = 0.9043

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 100 200 300 400

H/Dv

B/D

v

Hollow jet (modelos)

Hollow jet (prototipos)

Howell-Bunger ICE

(C.R.)

Datos para el ajuste

Potencial (Datos para

el ajuste)

Longitud del cuenco

y = 5.7313x0.2945

R2 = 0.8761

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400

H/Dv

(LT

- L

I)/D

v

Hollow jet (modelos)

Hollow jet

(prototipos)

Howell-Bunger ICE

(C.R.)

Datos para el ajuste

Potencial (Datos

para el ajuste)

Profundidad del cuenco

y = 1.1716x0.4229

R2 = 0.9476

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100 200 300 400

H/Dv

Pro

fun

did

ad

/Dv

Hollow jet (modelos)

Hollow jet

(prototipos)

Howell-Bunger ICE

(C.R.)

Datos para el ajuste

Potencial (Datos

para el ajuste)

Figura 3.- Gráficas para dimensionamiento de cámaras disipadores para válvulas cónicas (a partir de datos

Aragón 1991 y Peterka 1984).

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[5]

VALVULAS MONOVAR

La Monovar1 es una válvula originalmente concebida por Alsthom Fluides para control de flujo y

disipación y que es parte de la familia de válvulas de regulación multichorro. En la Figura 4 se

muestra un esquema de una válvula de este tipo. Se trata de un cuerpo anular (1) montado entre

bridas que contiene dos placas circulares perpendiculares al flujo e idénticamente perforadas, la

primera de ellas con orificios en forma de embudo. La placa de aguas abajo (2) es fija, la placa de

aguas arriba (3) es móvil y se desliza sobre la placa fija. El desplazamiento relativo y limitado de

dos placas perforadas provoca la variación de la sección de paso, por consiguiente la pérdida de

carga.

Figura 4.- Esquema de válvula tipo Monovar

Su originalidad reside en la manera de disipar la energía del fluido, pues el flujo está fraccionado en

múltiples y pequeños chorros (se utilizan varias decenas de orificios por placa), de lo que resulta la

reducción de las fluctuaciones a causa de la energía reducida de cada chorro y de la débil dimensión

característica de la turbulencia producida por los chorros. Además, las perturbaciones sólo se

propagan en una pequeña longitud aguas abajo de la válvula, lo que permite la reducción de la

distancia mínima generalmente recomendada entre la válvula y el aparato más cercano: codo,

turbina, etc. Como se consecuencia, se obtiene un excelente coeficiente de cavitación (σ) con menor

riesgo de inicio de cavitación que en las válvulas clásicas. Además, aun cuando exista cavitación

incipiente, la misma queda situada en el seno del fluido (cavitación de mezcla), lejos de las partes

vitales de la válvula, no siendo el caso en las válvulas clásicas, donde aparece la cavitación sobre el

obturador, el asiento, los ejes, etc.

En la Tabla 2 se muestra en rango de diámetros y presiones estandarizados de los fabricantes de

estas válvulas. En la misma tabla se muestra los caudales máximos que se pueden manejar según el

diámetro de la válvula, así como la carga máxima que se puede disipar. Se observa que se trata de

un rango muy grande de hasta 40 m3/s y las presiones que se pueden disipar varían entre 10 bars

para DN2000, hasta 64 bars para DN100.

Tabla 2.- Tamaños y presiones nominales de válvulas Monovar

Presión Rango de diámetros

(mm)

Caudal

Max

(bars) (m3/s)

10 900 2000 42.0

16 700 800 8.6

25 200 600 6.1

40 150 150 0.48 64 100 100 0.27

1 MONOVAR™ son marcas registradas pertenecientes a Genarale de Robineterie Industrielle et de systemes de Surete.

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[6]

Las características de las válvulas provienen de pruebas de laboratorio en donde en modelos a

escala reducida se determinan los coeficientes de descarga y las características de cavitación de las

mismas. Esto se representa de forma adimensional por medio de los siguientes parámetros:

Caudal unitario,

HD

Qq

211 [1]

En donde Q es el caudal a través de la válvula (m3/s), D (m) es el diámetro nominal de la misma, y

ΔH (m) es la pérdida de carga a través de la misma.

Parámetro de cavitación (sigma),

H

HH V

2 [2]

En donde H2 (m) es la presión aguas abajo de la válvula, y Hv (m) es la presión atmosférica. Para

que la cavitación esté dentro de límites tolerables, según pruebas de laboratorio, debe cumplirse

que:

Critico [3]

El valor de σcritico depende del grado de apertura de la válvula. En la Figura 5 se ilustran la relación

entre la apertura de la válvula y estos dos parámetros, según las pruebas originales de Alsthom

Fluides.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

q11

Ap

ert

ura

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Apertura

sig

ma

crí

tic

o

Figura 5.- Características de las válvulas Monovar

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nov. 2010

[7]

Dependiendo del caudal y la carga a disipar, en algunas aplicaciones hay que combinar las válvulas

Monovar con diafragmas, que son discos fijos perforados que son similares a los de las válvulas, y

que permiten una disipación escalonada de la energía, cumpliendo con los requisitos de cavitación

de la válvula, como se ilustrará en dos ejemplos de utilización.

PLANTAS HIDROELÉCTRICAS CHOCOSUELA

Las plantas hidroeléctricas Chocosuela 1, 2 y 3 forman n un sistema de tres pequeñas plantas en

cascada, que en conjunto producen 25.9 MW, localizadas en Costa Rica (ver Tabla 3). El sistema se

planeó para que las tres etapas utilicen el mismo caudal de 6.17 m3/s, sin necesidad de volver a

descargar el agua al río, evitando la necesidad de la construcción de obras de presa y derivación

adicionales. Desde luego, para que esto funcione adecuadamente es fundamental contar con un

sistema de desvío entre las diferentes etapas.

Tabla 3.- Características de las plantas Chocosuela 1, 2 y 3

Etapa 1 2 3 Total

Caudal m3/s 6.17 6.17 6.17

Caída bruta m 133.75 256.50 108.50 498.75

Potencia MW 6.9 13.6 5.4 25.9

En la Figura 6 se muestra el sistema de desvío entre las etapas 1 y 2, el cual requiere disipar hasta

14 bars, y que consta de los siguientes elementos, de aguas arriba hacia aguas abajo:

Un bifurcados que inicia el desvío

Una válvula de control tipo mariposa de 800 mm

Una válvula Monovar DN800, PN16

Un sistema adicional de dos diafragmas de DN1000

Una válvula de control tipo mariposa de 800 mm

Conexión hacia la conducción de la segunda etapa

Figura 6.- Sistema de disipación Chocosuela 1-2, vista en planta

Es importante señalar la presencia de dos diafragmas aguas abajo de la válvula, los cuales operan

bajo el mismo principio que la válvula Monovar pero sin el disco móvil, y su función es de producir

pérdidas de carga adicionales y una contrapresión en la válvula principal para que la misma opere

dentro del rango libre de cavitación. Este sistema ha estado en operación desde el año 2003, y en

una ocasión fue necesario utilizarlo en forma continua durante 3 meses debido a un daño en el

generador de la central, que requirió desviar el caudal a las dos centrales aguas abajo. La inspección

de la válvula ha indicado que no ha presentado cavitación.

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nov. 2010

[8]

Figura 7.- Foto de sistema de disipación Chocosuela 1-2 durante montaje

PLANTA HIDROELECTRICA CENTROAMERICA

Se trata de una central existente, de 50 MW, que trasvasa hasta 22 m3/s desde un embalse de

regulación multianual. Debido a la construcción de una segunda central aguas abajo, se ha visto la

necesidad de plantear un sistema de by-pass para 11 m3/s, capaz de disipar hasta 25 bars de presión.

En este caso por la combinación de caudal y presión, fue necesario considerar un sistema de 4

válvulas Monovar DN600 en paralelo, además de tres diafragmas de 1300 mm aguas abajo, tal y

como se muestra en las Figuras 8 y 9.

Figura 8.- Sistema de disipación Planta H. Centroamérica, vista en planta

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[9]

Figura 9.- Sistema de disipación Planta H. Centroamérica, perfil

Los cálculos hidráulicos de la disipación de energía en los diferentes elementos se muestran en

detalle en la Tabla 4. Se observa como estas pérdidas se reparten entre las válvulas Monovar y los

diafragmas aguas abajo. El sistema requirió un estanque final con una contrapresión de 5 m para

controlar la cavitación en el último diafragma (ver Fig. 9).

Tabla 4.- Cálculos de pérdidas sistema de by-pass Planta Centroamérica

Caudal Presión Pérdidas Pérdidas Pérdidas Pérdidas Presión

(m3/s) A. Arriba Monovar

Diafragma

1

Diafragma

2

Diafragma

3 Remanente

(m) (m) (m) (m) (m) (m)

11.0 214.6 77.6 81.2 31.5 19.25 5.00

10.0 220.3 106.3 67.1 26.0 15.91 5.00

9.0 225.5 132.2 54.4 21.1 12.89 5.00

8.0 230.1 155.3 43.0 16.7 10.18 5.00

7.0 234.2 175.8 32.9 12.7 7.80 5.00

6.0 237.7 193.5 24.2 9.4 5.73 5.00

5.0 240.7 208.4 16.8 6.5 3.98 5.00

4.0 243.2 220.7 10.7 4.2 2.55 5.00

3.0 245.1 230.2 6.0 2.3 1.43 5.00

2.5 245.8 234.0 4.2 1.6 0.99 5.00

En cuanto a la cavitación, en la Figura 10 se compara el valor σ del sistema con el valor de σ crítico

o límite recomendado para estas válvulas. Se observa que el sistema opera muy desahogadamente

para aperturas altas, mayores al 50%. Para aperturas menores al 45%, σsistema≈σcrítico por lo que no

resulta conveniente la operación de las válvulas en ese rango por períodos prolongados.

Otro aspecto importante es que es conveniente la operación del sistema con las cuatro válvulas

operando simultáneamente, pues de lo contrario la posibilidad de cavitación se puede presentar.

Aunque resulta factible operar con solo tres válvulas simultáneamente con aperturas mayores al

60%.

Sistemas de Desvío en Plantas Hidroeléctricas, XXIV Congreso Latinoamericano de Hidráulica, Uruguay,

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[10]

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Apertura

Sig

ma

Ca

vit

ac

ión

Sigma Crítico

Sigma Sistema

Figura 10.- Comparación entre σ del sistema y σc ó límite para 4 válvulas en operación

Una comparación de costos entre la solución con válvulas Monovar y una solución con una válvula

Howell-Bunger junto con un tanque disipador, como la ilustrada en la Fig. 1, mostró que la primera

tiene un costo de apenas un 65% que la segunda, incluyendo todos los costos de equipos y obra

civil. Ciertamente es una solución un poco más compleja, con un número de elementos mecánicos, pero la economía en costes y su adecuado funcionamiento lo justifica adecuadamente. Este sistema

actualmente está en construcción.

CONCLUSIONES

Las válvulas tipo Monovar han probado ser un dispositivo muy adecuado para sistemas de desvío

en plantas hidroeléctricas, permitiendo el control del flujo y la disipación de una forma muy

efectiva y también económica, en comparación con otros sistemas similares.

REFERENCIAS

Aragón S., ( 1991), “Cámaras Disipadoras para Válvulas Cónicas Tipo Howell Bunger”, IV Congreso

Nacional de Recursos Hídricos, San José, Costa Rica.

Peterka, A.J., (1984), Hydraulic Design of Stilling Basins and Energy Dissipators, Eng. Monograph No. 25,

US Department of the Interior, Bureau of Reclamation.