–

1

UNIVERSIDADNACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION

CONDUCCIONES HIDRAULICAS EN UNA PRESA

CENTRALES HIDROELECTRICAS

2023

INTEGRANTES:

GUTIERREZ TORRES, Evelin

LOYA OLIVERA, Lizbeth Fiorella

DOCENTE: Ing. YARASCA CORDOVA, Pedro

–

Contenido

I. INTRODUCCION.........................................................................................................................3

II. OBJETIVOS.................................................................................................................................4

III. MARCO TEORICO...................................................................................................................5

3.1. ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDRAULICA......................................................................5

IV. CENTRALES HIDRAULICAS......................................................................................................7

4.4. ELEMENTOS DE UNA PRESA.................................................¡Error! Marcador no definido.

2.2 TIPOS DE TUBERIA REFORZADA............................................................................................22

2.2.1 Materiales empleados en la tubería forzada·.................................................................22

4.5. ANILLOS DE SOPORTE......................................................................................................25

4.6. DISEÑO HIDRÁULICO Y REQUISITOS ESTRUCTURALES.....................................................28

4.7. NUMERO DE TUBERIA......................................................................................................29

4.8. DIÁMETRO DE LA TUBERÍA...............................................................................................30

4.9. RESUMEN.........................................................................................................................31

4.10. PRESIONES...................................................................................................................32

2

CONDUCCIONES HIDRAULICAS EN UNA PRESA

–

I. INTRODUCCION

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua

almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica, para ello

necesitamos una conducción para el flujo que concurre en la presa, por tal razón

estudiaremos los componentes internos de una Centra Hidroeléctricas, especificando los

elementos mecánicos internos de la Central Hidroeléctrica como las Conducciones

Hidráulicas que se originan desde la toma de agua (Captación) y la retención de desechos

por las rejillas filtradoras sobre el embalse que existe en la presa, continuando con los

órganos de maniobra o casa de maquinas que es una construcción que se ubican las

maquinas _(turbinas, alternadores y elementos de regulación; la Tubería Forzadas y el

trabajo que realizan estos componentes para el funcionamiento y la generación de energía

eléctrica.

3

–

II. OBJETIVOS

Conocer los componentes de la casa de maquinas , y sus respectivas funciones

Conocer la utilidad de la tubería forzada

Evaluar los tipos de tuberías forzadas para elegir un costo y diámetro adecuado.

Analizar las perdidas de carga que existen en las tuberías forzadas.

4

–

III. MARCO TEORICO

III.1. ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDRAULICA

CENTRAL HIDRAULICA: Una central hidroeléctrica es aquella que genera electricidad

mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada en una

presa situada a un nivel más alto que la central.

El agua es conducida mediante una tubería de presión a la sala de máquinas de la central,

donde mediante turbinas hidráulicas se produce la generación de energía eléctrica en

alternadores. El agua que sale de la turbina es devuelta a su curso original a un nivel más

bajo respecto al que fue recogida.

T OM A D E AGU A . Zona de obra donde se capta el agua necesaria para el

accionamiento de las turbinas. Las aperturas por donde entra el agua están protegidas

para evitar que pasen a la turbina cuerpos en suspensión o flotación (limpieza periódica de

rejillas)

GALERÍA DE CONDUCCIÓN. El agua circula debido a los ligerísimos desniveles entre

sus extremos (velocidades pequeñas). Hechas de hormigón con juntas de dilatación para

5

–

contrarrestar el efecto de los cambios de temperatura

TUBERÍA DE PRESIÓN O FORZADA . Soportan grandes presiones en toda su superficie.

Trazado según terreno. Hechas de acero con juntas de dilatación

CHIMENEA DE EQUILIBRIO . Amortigua el golpe de ariete. El agua fluctúa en ella según

la presión en las conducciones. Se sitúan en la zona de unión de las galerías de conducción y

las tuberías forzadas.

6

–

IV. CENTRALES HIDRAULICAS

Las centrales hidráulicas de generación de energía eléctrica son las centrales más sencillas

y eficientes, con un relativamente bajo impacto medioambiental, ya que, a pesar de

inundar un valle y bloquear el curso del río, están obligadas a mantener un caudal

ecológico mínimo que garantice la pervivencia de los ecosistemas fluviales.

Estas centrales poseen una gran gestionabilidad mediante el control del caudal de agua

que turbinan, por lo que se emplean para la regulación de la demanda eléctrica,

aprovechando que pueden ser operadas de forma centralizada agrupadas por cuencas

hidrográficas. Los mayores inconvenientes que presentan estas centrales son sus

dependencias de la orografía del terreno, es decir, de encontrar saltos adecuados para su

instalación, y de las precipitaciones que se produzcan en la cuenca cada año.

El origen de la energía que aprovechan las centrales hidroeléctricas se encuentra

exclusivamente en el salto de altura entre las posiciones del agua antes y después de ser

turbinada (no se aprovecha la velocidad que alcance el fluido en la conducción, a

diferencia de los aerogeneradores

Funcionamiento

La energía eléctrica no se puede almacenar, debe ser consumida en el mismo instante en el

que se produce. esto significa que se debe conocer en todo momento la cuantía en la que

va a ser requerida, o al menos tener una previsión lo más aproximada posible, para estar

en condiciones de generarla. La evolución de la demanda de energía eléctrica en función

del tiempo se denomina curva de demanda, presentando máximos y mínimos que

corresponden a las horas de mayor y menor consumo, respectivamente, denominados

horas punta y horas valle. La forma de la curva se puede generalizar para los distintos días

del año, aunque la cifra asociada a los puntos que representan la misma, lógicamente,

varía de un día a otro. Independientemente del mes y del día, siempre hay que ajustarse a

la demanda y producir, con los diferentes tipos de centrales que se disponga, la energía

solicitada en cada instante.

7

–

En este ajuste continuo de la producción a la demanda es necesario disponer de centrales

cuya potencia pueda ser fácilmente regulable, con una gran flexibilidad de operación. Las

centrales hidroeléctricas presentan estas características jugando un papel muy importante

en el conjunto del parque de centrales de generación de energía eléctrica de cualquier

país. Son instalaciones con una alta velocidad de respuesta ante los cambios de demanda,

lo que quiere decir que en unos minutos (2 - 3 en los grupos más modernos) pasan de

estar paradas a dar la potencia nominal. Esto no ocurre con las centrales de combustible

fósil o nuclear, que necesitan desde 6 - 8 horas hasta mas de 18, dependiendo de las

condiciones en las que se produzca el arranque de las mis- más. Por todo esto, las

centrales hidroeléctricas se convierten en instalaciones más adecuadas para cubrir las

puntas de demanda, así como para cubrir las bajas imprevistas de otras centrales.

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua

almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

El agua de los ríos es retenida por medio de presas y luego es conducida por túneles y

8

–

tuberías de alta presión hacia terrenos más bajos, al llegar a la planta generadora, el agua

lleva ya una enorme cantidad de ener- gía, la que se aprovecha para hacer girar turbinas

que accionan el alternador y produce la corriente eléctrica.

Dependiendo de las condiciones se utilizan distintos tipos de turbinas. Si la caída de agua

es importante se utilizan turbinas Pelton. Si las caídas son medianas turbinas Francis y si

son pequeñas turbinas Kaplan. Las turbinas a su vez hacen girar un generador que produce

la electricidad, ésta pasa a los transformadores y luego es transportada a los sitios de

consumo a través de las líneas de transmisión.

IV.1. CONDUCCIONES HIDRAULICAS A UNA CENTRAL

Conducciones: canales, túneles y tuberías forzadas

La alimentación de agua a las turbinas se puede hacer directamente a través del dique en

centrales a pie de presa o a través de un sistema de canalizaciones en el caso de centrales

en derivación.

En el caso de los canales estos pueden realizarse excavando el terreno en la ladera o de

forma artificial mediante estructuras de concreto. En todo caso las pendientes de los

mismos son muy débiles, del orden de algunas unidades por diez mil. En el proyecto del

canal deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones: Buscar la solución que

represente la mayor economía, no sólo en construcción sino en explotación. Evitar el paso

por terrenos permeables, para reducir al mínimo los revestimientos, ya sean de arcilla, de

mampostería u otro mate- rial. La velocidad del agua en le canal se determina por las

conocidas fórmulas de Chezy, Bazin, Manning, etc... En saltos de gran caudal y poca altura

se reduce la pendiente en el canal para no perder carga, exigiendo en este caso mejor

acabado para reducir pérdidas y trabajos de limpieza, pues aumentará la sedimentación:

tam- bién el costo será mayor por unidad de longitud. Cuando el salto sea de gran altura y

poco caudal se puede admitir mayor pendiente en el canal y buscar soluciones más

económicas. La sección transversal a adoptar dependerá de la clase de terreno:

habitualmente para canales en roca se utiliza la sección rectangular y para canales en tierra

se utiliza la sección trapezoidal. También se suelen utilizar tuberías prefabricadas de

concreto para conducciones en lámina libre enterradas.

9

–

En algunas ocasiones, para reducir la longitud del canal, puede justificarse la perforación

de túneles en la montaña, en cuyo caso hay que fijar bien los puntos de ataque y de apoyo,

de manera de no elevar demasiado los trabajos de excavación y revestimiento si éste se

hace necesario.

Para evitar grandes longitudes el desnivel del río debe ser grande y suele ir acompañado de

una orografía irregular, lo que dificulta la construcción de los canales. Por esta razón se

prefiere por lo general la solución del túnel en carga que no obstante su mayor costo, se

adapta mejor a las condiciones geográficas. Además en este caso la respuesta de la

instalación ante aumentos bruscos de demanda es mejor. Como contrapartida se re-

quieren estudios geológicos profundos y mayores dificultades de construcción, debiendo

tener gran cuidado en la transmisión de los esfuerzos de presión al terreno.

Desde este punto de vista el perfil circular es el mas adecuado pero su realización no es

fácil debido a la dificultad de circulación de las máquinas excavadoras sobre una superficie

cilíndrica, limitándose a las galerías que trabajan con presione elevadas o en terrenos de

calidad intermedia. En otros casos se prefiere el perfil en herradura o de curvatura, cuyas

características se muestran en las figuras.

La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga o la chimenea de equilibrio

hasta la turbina se llevan a cabo mediante tuberías forzadas. Debido a las variaciones de

carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que

evitan las sobrepresiones en las tuberías forzadas y ála- bes de turbinas. A estas

sobrepresiones se las denomina golpe de ariete .

Cuando la carga de trabajo de la turbina disminuye bruscamente se produce una

sobrepresión positiva , ya que el regulador automático de la turbina cierra la admisión de

agua.

La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las

turbinas. Cuando existe una sobre presión de agua encuentra menos resistencia para

penetrar al pozo que a la cámara de pre- sión de las turbinas haciendo que suba el nivel de

la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará.

Con ésto se consigue evitar el golpe de ariete.

10

–

Actúa de este modo la chimenea de equilibrio como un muelle hidráulico o un

condensador eléctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energía.

Las tuberías de presión o tuberías forzadas se pueden construir de diferentes materiales

siendo los mas comunes: el acero, el concreto precomprimido o concreto armado y la

uralita, según sean los esfuerzos a que estén sometidas. Se suele definir la naturaleza de la

tubería por el valor del producto d X h, siendo d el diámetro de la tubería en metros y h la

carga o altura del salto en metros. Si el resultado es mayor que 1000 m2 se acon- seja

tubería de acero, pudiendo llegar a 2000 m2 o más, sin importar la relación de valores

entre d y h. Esto es, incluso para el valor de d =1m y h = 2000m. Para valores del producto

d X h comprendidos entre 200 m2 y 1000 m2 se suele emplear tubería de concreto armado

precomprimido. La altura de salto no debe ser superior a 500m. Las tuberías corrientes de

concreto armado no es prudente usarlas en saltos de más de 60 m, ni en valo- res del

producto d X h superiores a 200 m2. La uralita soporta presiones de 150 m de columna de

agua y se alcanzan productos dxh de 90 m2.

La elección del numero de tuberías no esta determinado por las características físicas del

aprovechamiento sino mas bien por motivos de mantenimiento y previsión que

determinan el marco en que se se desarrollan los proyectos industriales. La solución de

menor inversión es desde luego la de una sola tubería, siempre que se pueda realizar de

una sección transversal suficiente, pero en este caso, el conjunto de la instalación quedaría

fuera de servicio cuando, a consecuencia de un accidente o avería fuese necesario reparar

la tubería o alguno de sus órganos auxiliares (válvulas, compuertas, etc...). Cuando la

central consta de varios grupos, que es lo más normal es necesario, por motivos de

fiabilidad de la instalación, independizar el funcionamiento de los mis- mos, y este grado

de independencia es algo qué habrá que determinar en cada caso. En la figura de abajo se

muestra la evolución del diámetro de las tuberías y del costo de las mismas conforme

aumenta el numero de ellas. Es de notar que los valores numéricos están dados en forma

relativa tomando como base el casi de una única tubería.

IV.2. ORGANOS DE MANIOBRA

Es el equipo electromecánico, se dan algunas reglas preliminares para su diseño y se

exponen los criterios utilizados para su selección.

11

–

En un aprovechamiento hidroeléctrico, la casa de máquinas tiene como misión proteger el

equipo electro-hidráulico que convierte la energía potencial del agua en electricidad, de las

adversidades climatológicas. El número, tipo y potencia de las turbinas, su disposición con

respecto al canal de descarga, la altura de salto y la geomorfología del sitio, condicionan la

topología del edificio.

La casa de máquinas está constituído por un edificio principal donde se encuentran la sala

de mando, los tres grupos hidráulicos, sala de transformadores y patio de llaves. La casa de

maquinas puede albergar los equipos siguientes:

• Compuerta o válvula de entrada a las turbinas

• Turbinas

• Generadores

• Sistemas de control

• Equipo eléctrico

• Sistemas de protección

• Suministro de corriente continua (control y emergencias)

• Transformadores de potencia e intensidad

• Etc.

La figura muestra un esquema de una casa de maquinas con toma de agua, integrada con

el azud y las rejillas, alojando una turbina Kaplan, de eje vertical acoplada directamente a

un generador, el tubo difusor y el canal de retorno, de uso frecuente en aprovechamientos

12

–

de muy baja altura de salto. Para mitigar el impacto visual y sónico, la casa de maquinas,

como se ve, puede estar enteramente sumergida

Generadores:

La energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas se produce en los aparatos llamados generadores o alternadores. El alternador, o grupo de alternadores acoplados al eje de la turbina que gira por la acción del agua genera una corriente alterna de alta intensidad y baja tensión, esta corriente posteriormente pasa a un trans- formador que la convierte en alta tensión y baja corriente, apta para su transporte a grande distancias con un mínimo de pérdidas. Más tarde, en los centros de consumo, un nuevo transformador la transforma en una corriente de baja tensión para su aplicación directa a los receptores domésticos e industriales.

Solidario con el eje de la turbina y del alternador, gira un generador de corriente contínua llamado excitatriz, que se utiliza para excitar magnéticamente los polos del estator del generador, creando un campo magnético que posibilita la generación de corriente alterna en el rotor.

El generador es una máquina, basada en la inducción electromagnética, que se encarga de transformar la energía mecánica de rotación, que proporciona la turbina, en energía eléctrica.

El principio de funcionamiento está basado en la ley de Faraday. Cuando un conductor eléctrico se mueve en un campo magnético, se produce una corriente eléctrica a través de él.

El generador (o alternador) está compuesto por dos partes fundamentales:

13

–

- El rotor (o inductor móvil), que se encarga de generar un campo magnético variable al girar arrastrado por la turbina.

- El estátor (o inducido fijo), sobre el que se genera la corriente eléctrica aprovechable.

En centrales menores de 1000 KW la tensión de trabajo del generador es de 380 o 500 voltios, y para potencias más elevadas la generación se produce en media tensión (3000, 5000 o 6000 voltios).

El generador puede ser de dos tipos: Síncrono o asíncrono.

Generador Síncrono.

En este tipo de generadores, la conversión de energía mecánica en eléctrica se produce a una velocidad constante llamada velocidad de sincronismo.

El campo magnético es creado por las bobinas arrolladas en los polos del rotor, para lo cual, por dichas bobinas debe de circular una corriente eléctrica continua. Para producir esta corriente continua, pueden emplearse diferentes sistemas de excitación:

Autoexcitación estática. La corriente proviene de la propia energía eléctrica generada, previamente transfor- mada de alterna en continua.

Excitación con diodos giratorios. Se crea una corriente alterna invertida, con polos en el estator y se rectifica por un sistema de diodos, situado en el eje común.

14

–

Excitación auxiliar. La corriente necesaria se genera mediante una dinamo auxiliar regulada por un reostato.

Generador Asíncrono.

Dada la simplicidad, robustez y bajo costo de los clásicos motores eléctricos, éstos han comenzado a usar- se cono generadores eléctricos. Para ello es necesario que el par mecánico comunicado al rotor produzca una velocidad de giro superior a la de sincronismo. Este exceso de velocidad produce un campo giratorio excitador. Interesa que la diferencia sea pequeña para reducir las pérdidas en el cobre del rotor.

Es necesaria la colocación de una batería de condensadores que compense la energía reactiva generada. La corriente para la creación del campo magnético se toma de la red, a la que se debe estar conectado.

El empleo de este tipo de generadores no precisa regulador de velocidad en la turbina. Para arrancar el gru- po se abre el distribuidor de la turbina hasta que se llega a una velocidad próxima a la de sincronismo y en este momento se conecta a la red por medio de un interruptor automático.

Equipo eléctrico general.

En una central hidroeléctrica, es necesario un equipamiento eléctrico que tiene por objeto la transformación de tensión, la medición de los diferentes parámetros de la corriente eléctrica en la central, la conexión a la línea de salida y la distribución de la energía.

Un elemento fundamental lo constituye el transformador de tensión. Dependiendo de la tensión de trabajo del generador, la transformación puede ser baja/media o media/alta tensión.

El objetivo es elevar la tensión al nivel de la línea existente para hacer posible un transporte sin pérdidas excesivas.

El transformador debe estar refrigerado, esta operación puede hacerse por convección natural o bien por circuito cerrado de aceite o silicona. Es habitual instalarlo en el interior del edificio de la central, aunque en ocasiones, por reducir la obra civil, los transformadores grandes se instalan a la intemperie.

Entre los equipos eléctricos necesarios se encuentran:

- Los disyuntores y seccionadores, utilizados para la conexión y desconexión a la red.

- Transformadores de medida, tanto de tensión como de intensidad, que proporciona los valores instantáneos de estas magnitudes en diversas partes de la instalación.

15

–

- Transformadores de equipos auxiliares, que suministran la tensión adecuada para el buen funcionamiento de estos equipos.

- Pararrayos o autoválvulas, que actúan como descargadores a tierra de las sobreintensidades producidas.

En general, estos equipos se disponen en cuadros eléctricos situados en el interior del edificio de la central. Otro punto a tener en cuenta es la línea eléctrica necesaria para transportar la energía producida hasta los centros de consumo o hasta la red de distribución. El costo de la línea puede superar los dos millones de pese- tas por kilómetro, lo que puede influir en la viabilidad económica del proyecto, dependiendo de su longitud.

Las características de la red que es necesario conocer son: la frecuencia y la tensión. La primera es un dato de partida conocido (60 Hz), y la segunda puede oscilar desde 3 a 66 kilovoltios. La tensión nominal de la red existente tiene gran importancia ya que implica una transformación al mismo nivel, lo que puede suponer un elevado costo si se tuviera condicionado a conectar a una línea de alta tensión.

Elementos de regulación, control y protección.

En todo aprovechamiento hidroeléctrico, es necesario la instalación de diversos mecanismos que regulen y controlen el buen funcionamiento de la central, así como dispositivos de protección, tanto de la central como de la línea, ante los posibles fallos que puedan producirse.

Reguladores automáticos de las turbinas:

Cuando de produce una variación de carga en la turbina, se decir, cuando se modifica el par resistente que actúa sobre la misma, según se trate de aumento o disminución de dicho par, la turbina reducirá o aumentará el número de revoluciones con que estuviese en funcionamiento antes de producirse la variación de carga. Es necesario por consiguiente, adaptar el par motor al resistente, y esto se lleva a cabo regulando conveniente- mente la entrada de agua, para que aumentando o disminuyendo el caudal ( puesto que la altura del salto no se habrá modificado), se disponga en cada momento de la potencia requerida y con ello se obtendrá, salvo ligera variación, el número de revoluciones de funcionamiento normal de la turbina. En una palabra, la misión del regulador automático consiste en conseguir el equilibrio, en todo momento, de los trabajos motor y resisten- te para mantener sensiblemente igual y con todas las cargas el número de revoluciones de la turbina que con- viene a su funcionamiento.

En las centrales pequeñas y en servicios poco importantes, es posible efectuar esta regulación manualmente; pero cuando se trata de instalaciones expuestas a variaciones de carga de consideración, se precisa recurrir a la regulación automática.

16

–

Se ha dicho y con plena razón, que el regulador es el alma de la turbina, y ciertamente el papel que aquel desempeña es de excepcional importancia.

Los principales bucles de control y sistemas de supervisión y mando en una central hidroeléctrica de peque- ña potencia son:

Para control de la turbina:

- Regulador de velocidad, para centrales con grupos síncronos.

- Reguladores de nivel para centrales con grupos asíncronos conectados a la red.

- Regulador de potencia generada, para centrales en red instalada.

- Regulador de caudal turbinado.

Para control del generador:

- Regulador de tensión para grupos síncronos.

- Equipo de sincronización, en caso de grupos síncronos funcionando conectados a la red.

- Batería de condensadores y relé taquimétrico, en caso de grupos asíncronos funcionando conectados a la red.

Para control de la turbina y del generador:

La instrumentalización necesaria para realizar este cometido, depende del tipo de generador utilizado, y del funcionamiento previsto. Se pueden considerar los siguientes casos:

1. Central con generador síncrono funcionando conectado a la red.

El control de la turbina no necesita un regulador de velocidad, puesto que la frecuencia está mantenida por la red, sin embargo es muy conveniente su instalación. El mando del distribuidor se realiza por medio de un servo-oleohidráulico, y las órdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.

El control del generador es un regulación del factor de potencia, ya que al estar conectado a la red, está fija la tensión, y la variación de la excitación modifica la potencia reactiva suministrada por el grupo.

El equipo automático de sincronización estará provisto de ajuste de velocidad y tensión del grupo, por medio de un relé de sincronismo.

2. Central con generador síncrono funcionando aislado.

17

–

El control de la turbina debe asegurar el mantenimiento de la frecuencia de la red en cualquier condición de carga, necesitando por tanto un sistema de regulación de velocidad y de potencia.

El control del generador, necesita un regulador de tensión que actúe sobre la excitación del alternador, a fin de mantener la tensión dentro de los límites admisibles.

3. Central con generador asíncrono funcionando conectada a la red.

El control de la turbina no necesita un regulador de velocidad, puesto que la frecuencia está mantenida por la red. El mando del distribuidor se realiza por medio de un servo oleohidráulico, y las órdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.

El control del generador se consigue mediante una batería de condensadores estáticos controlados de forma continua por medio de tiristores.

Para la conexión del grupo a la red, deberá llevar un detector de velocidad que proporcione una señal cuan- do el grupo llegue a la velocidad de sincronismo, para ello se utiliza un relé taquimétrico que puede ser mecáni- co o eléctrico.

Las protecciones para las diferentes sistemas actúan cuando se produce un hecho anormal en el funciona- miento y pueden producir una alarma, la parada del algún grupo o la parada total de la central, dependiendo de cual sea le hecho acaecido.

Los principales hechos que pueden hacer actuar las protecciones, son los siguientes:

1. Protecciones mecánicas.

- Embalamiento de turbina y generador.

- Temperatura de eje y cojinetes.

- Nivel y circulación del fluido de refrigeración.

- Nivel mínimo hidráulico.

- Temperatura de aceite del multiplicador de velocidad.

- Desconexión de la bomba del aceite de regulación.

2. Protecciones eléctricas del generador y transformador.

- Intensidad máxima,

- Retorno de potencia (máxima admitida 5% de la nominal).

- Calentamiento del generador y/o del transformador.

- Derivación en el estator.

18

–

- Producción de gases en el transformador (Buchholz).

- Nivel de tensión (entre el 85 y el 100% de la tensión nominal).

- Nivel de frecuencia (entre 47.5 y 51 Hz.)

3. Protecciones de la línea de media tensión.

- Derivación de una fase a tierra.

- Cortocircuito o inversión de fases.

- Sobreintensidad.

Equipos auxiliares.

En una central hidroeléctrica, aparte de los equipos principales anteriormente descritos, deben existir una serie de equipos auxiliares necesarios para el correcto funcionamiento de las instalaciones.

El consumo eléctrico de estos equipos auxiliares oscila alrededor del 2% de la producción de la central. Los equipos más comunes, que se pueden considerar como auxiliares dentro de la central, son:

- Ventilación.

- Alumbrado normal y de emergencia.

- Equipo de corriente continua empleado para alimentar las bobinas de desconexión del disyuntor y otras bo- binas de relés y conectores.

- Bombas para el drenaje de posibles fugas o achique en caso de inundación.

- Batería de condensadores, en caso de que exista grupo asíncrono, para mejorar el factor de potencia.

- Puente grúa, aunque en algunos casos puede ser suficiente una grúa portátil durante el montaje y operaciones de mantenimiento.

- Red de tierra, para limitar la tensión con respecto al terreno.

- Limpiarejas.

- Protección contra incendios.

- Agua de refrigeración.

19

–

Automatización.

La automatización de una central tiene como objetivos: reducir los costos de operación y mantenimiento, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el aprovechamiento energético de la instalación.

El grado de automatización depende de varios factores, principalmente de: la ubicación de la central, el tipo de central, posibilidades de regulación, costo de personal y presupuesto.

Para una central ubicada cerca de un núcleo de población, con un acceso fácil y bajo costo de personal, una automatización mínima a base de relés convencionales sería suficiente; mientras que para una central aislada con un difícil acceso, altos costos de personal, se justificaría una instalación más completa para el sistema de automatización y telemando.

La automatización puede ser total, es decir, arranque, regulación y parada, o simplemente de parada y alarma, cuando actúa alguna de las protecciones de la central.

Hay diversos equipos mecánicos, como son limpiarejas y compuertas, cuyo funcionamiento también puede automatizarse.

La tecnología empleada puede ser convencional, es decir, mediante relés electromecánicos o estáticos o con técnicas informáticas basadas en microprocesadores con sus correspondientes programaciones que gestionarán todas las funciones de la central.

IV.3. TUBERIA FORZADA

Tubería forzada o de presión

Antes de penetrar en la rueda de la turbina, el agua recorre generalmente una tubería a presión dispuesta entre la cámara de carga (o la chimenea de equilibrio) y la sala de máquinas. Solamente en saltos de pequeña altura se puede hacer llegar directamente al distribuidor de la turbina el agua procedente del canal (turbinas de cámara abierta). A veces, si la turbina es instalada en el cuerpo mismo de la represa, la tubería forzada se reduce a un corto tramo de galería blindada.

Podemos mencionar tres tipos de tuberías de presión empleadas en los saltos: metálicas, de hormigón precomprimido o armado y de Uralita. Recordemos ante todo, la existencia

20

–

de un coeficiente característico de las tuberías forzadas; se trata del producto: D x H, donde D en metros, es el diámetro de la tubería y H la altura del salto (en metros). Este coeficiente puede fácilmente alcanzar el valor de 2000 m2 para tuberías metálicas (limite alrededor de 2500 m2 y alrededor de 1000 para tuberías en concreto armado precomprimido con caídas de 400 – 500 metros como máximo.

Esto quiere decir, por ejemplo, que una tubería metálica de un metro de diámetro puede ser empleada hasta 2000 – 2500 metros de caída y una tubería de 4 metros de diámetro se puede utilizar para caídas de 50 – 60 metros.

Es prudente utilizar las tuberías de hormigón armado no precomprimido con no más de 60 m de caída y un producto D x H igual a 200 m2 como máximo.

Las tuberías metálicas instaladas al interior de una galería en roca pueden ser del tipo auto resistente si en el cálculo no se tiene en cuenta la “colaboración” de la roca en soportar la presión interna del agua; o bien del tipo metálico aligerado si una parte del esfuerzo se transmite a la roca por intermedio del espesor de concreto inyectado entre tubería y roca, así que esta última interviene para soportar la presión hidráulica.

Conforman los canales de conducción del agua desde las cámaras de carga hasta la entrada de las turbinas, más allá de las válvulas de salvaguardia. Son un elemento de crucial importancia en las centrales hidráulicas, de cuya durabilidad depende la de la planta.

Se construyen con diferentes materiales de alta resistencia como: acero al carbono laminado con soldadura helicoidal u ortogonal, acero de alto límite elástico, fundición de acero, fibrocemento con o sin alma de acero e incluso materiales sintéticos reforzados con fibra de vidrio, instalándose de forma: aérea, enterrada, en trinchera o mixta a lo largo de su recorrido.

Trabajan con agua a alta presión, a lo que se suman grandes esfuerzos, siendo los más graves: sobrepresiones interiores debidas a golpes de ariete o depresiones. Así mismo deben soportar efectos de fondo, cambios de dirección, oscilaciones térmicas, esfuerzos sísmicos, su propio peso y el del agua, agentes climatológicos, cargas locales debido a apoyos y anclajes o durante su montaje.

La suma de estos esfuerzos repercute directamente en el dimensionamiento de las paredes de la tubería y en el material de su construcción, lo que, en última instancia, se traduce en un encarecimiento de la instalación. Como veremos después, existen mecanismos como la válvula ventora para evitar depresiones, que ayudan a reducir los esfuerzos que deben soportar las tuberías.

Los soportes de la tubería forzada se componen de puntos fijos de apoyo y otros intermedios a lo largo de su longitud, que, junto con las juntas intermedias, codos y juntas

21

–

de cierre, suponen los focos de problemas a lo largo de las tuberías forzadas más comunes, debiendo estar preparados para dilataciones y los consiguientes esfuerzos térmicos.

IV.4. TIPOS DE TUBERIA REFORZADA

4.2.1 Materiales empleados en la tubería forzada·

a) Acero

Se trata de una solución barata y eficaz, dado que se pueden conseguir tuberías

forzadas de cualquier diámetro y espesor. El empleo de acero resistente a la corrosión

evitara recubrimientos protectores cuando sea necesario y al mismo tiempo

aumentara la resistencia a la rotura y la tenacidad.

Las tuberías forzadas de acero en general se construyen mediante tramos rectos, que

van simplemente apoyados sobre pilares coincidiendo con los cambios de dirección.

Entre dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatación.

Las paredes deben resistir tensiones combinadas correspondientes a su trabajo como

viga y a su condición de recipiente cilíndrico sometido a presión interna.

El momento flector será el correspondiente al de una viga continua. Las reacciones

sobre los apoyos se transmiten por esfuerzo cortante entre la chapa y los anillos de

soporte, que se diseñan basándose en el comportamiento elástico de los cilindros de

débil espesor. Dichos anillos se sueldan a la chapa mediante soldaduras continuas y se

rigidizan mediante diafragmas.

Los bloques de anclaje tienen que resistir la componente longitudinal del peso de la

tubería llena de agua más las fuerzas de fricción correspondientes a los movimientos

de expansión y contracción. Esto lleva a que se recomiende cimentarlos, en la medida

de lo posible, sobre roca.

22

–

Las grandes tuberías en acero deberán enterrarse siempre que el terreno no sea muy

rocoso. La arena y la grava que rodean una tubería enterrada, constituyen un buen

aislante, lo que permitirá eliminar un buen número de juntas de dilatación y de

bloques de anclaje. Una tubería enterrada, debe ser previamente pintada y protegida

exteriormente mediante, por ejemplo, una cinta enrollada que garantice su

resistencia a la corrosión. Si se hace así y la cinta no sufre daños durante el montaje,

la tubería necesitará un mantenimiento mínimo. Desde un punto de vista ambiental,

la solución es óptima, pues una vez recubierta no representará ningún obstáculo al

paso de los animales.

b) Hormigón

También pueden utilizarse tuberías de hormigón con revestimiento interior de chapa

de acero, armadas si es necesario con redondos de acero, o incluso presentadas con

alambres de alta resistencia y provistas de uniones de enchufe y cordón. Dado su

elevado peso, resultan difíciles de transportar y manejar en obra, pero en cambio no

exigen ningún tratamiento de protección contra la corrosión.

c) Polietileno

23

–

El polietileno de baja y media densidad se aprovecha desde hace años en centrales con

baja altura de salto. El polietileno de altas prestaciones, en cambio, puede utilizarse en

saltos de hasta 160 m. Este material es pesado pero muy robusto.

d) PVC

Este material resulta competitivo en alturas de salto que pueden llegar a los 200 m.

Resulta más barato que el acero, su manipulación en obra es más sencilla y no

requiere ninguna protección contra la corrosión. Si se someten únicamente a

esfuerzos longitudinales pueden soldarse empleando disolventes o también pueden

unirse empleando conexiones mecánicas.

Como contrapartida, este material resulta sensible a la radiación ultravioleta, por lo

que las tuberías deberán enterrarse o recubrirse con cinta.

Una tubería de pequeño diámetro en PVC se puede instalar, extendiéndola

simplemente sobre el terreno y siguiendo su pendiente, con un mínimo recubrimiento

de tierra para su aislamiento. Estas pequeñas tuberías no necesitan ni bloques de

anclaje, ni juntas de dilatación. Además su fragilidad es mayor que en el acero. No son

aptas para ser instaladas en terrenos rocosos.

e) Aleaciones de plástico

Recientemente ha salido al mercado una tubería fabricada con una mezcla de PVC y

derivados acrílicos. Se puede utilizar en saltos de hasta 160 m, su espesor es menor

que el de las tuberías equivalentes de PVC y sus propiedades mecánicas son similares a

las del polietileno de altas prestaciones. A diferencia del PVC, se comporta dúctilmente

bajo carga, por lo que carece de sus problemas de rotura frágil.

f) Refuerzos de fibra de vidrio

Las tuberías reforzadas de fibra de vidrio poseen una elevada resistencia, su peso es un

20% inferior al del acero y sus costos son competitivos.

g) Polietileno de alta densidad

24

–

Solo se suministran para diámetros de hasta 30 cm. Pueden ser instaladas al aire libre

y se pueden curvar del orden de cuarenta veces su diámetro (para curvas más

pronunciadas se puede recurrir a elementos prefabricados). Soportan temperaturas

menores de cero grados centígrados.

Su densidad menor que la del agua facilita su transporte al permitir arrastrar los

tramos de tubería flotando y tirados por un cable. Las uniones deben ser realizadas

mediante soldadura de fusión.

h) Madera

Material empleado en los países en vías de desarrollo en los que abunda la madera y la

mano de obra. Para diámetros de tubería de 1,5 m, puede ser instalada en alturas de

salto de hasta 120 m.

Estas tuberías se construyen con dovelas de madera creosotada y zunchadas con flejes

de acero, no necesitan juntas de dilatación ni soporte de anclaje y resisten a la

corrosión. Sin embargo, sufren dilataciones y fugas, requieren que el tubo este

siempre lleno de agua y el mantenimiento debe ser frecuente.

IV.5. ANILLOS DE SOPORTELos anillos de soporte se diseñan basándose en el comportamiento elástico de los

cilindros de débil espesor. La pared del tubo debe resistir las tensiones combinadas,

correspondientes a su trabajo como viga y como recipiente cilíndrico sometido a

presión interna. El momento de flexión será el correspondiente a una viga continua.

Las reacciones sobre los apoyos, propias de una viga continua, se transmiten, por

esfuerzo cortante, entre chapa y anillo. Para ello los anillos se sueldan a la chapa con

soldaduras continuas en rincón, y se rigidizan mediante diafragmas (figura ).

25

–

Figura: Sistema de apoyo con junta de dilatación

Los bloques de anclaje tienen que resistir la componente longitudinal del peso de la

tubería llena de agua, más las fuerzas de fricción correspondientes a los movimientos

de expansión y contracción; por eso se recomienda cimentarlos, siempre que sea

posible, sobre roca. Si dada la naturaleza del terreno los bloques de anclaje requieren

el empleo de grandes volúmenes de hormigón, y resultan por lo tanto muy costosos,

puede estudiarse la eliminación de uno de cada dos anclajes y de todas las juntas de

dilatación para que la tubería se deforme en el codo que queda libre. Para ello se

recomienda apoyar los tramos rectos de tubería en soportes en los que la zona de

contacto cubra un ángulo de unos 120º. Los apoyos fabricados por soldadura de

chapas y perfiles, se pueden recubrir, para reducir la fricción, con una placa de

amianto grafitado

Existen multitud de tipos de juntas de dilatación, pero la más utilizada es la de la figura

1. empaquetadura de cierre está formada por anillos de cordones de lino de sección

cuadrada, comprimidos mediante una pieza deslizante en acero que se atornilla a una

brida fijada a la tubería.

Hoy en día existe una gran variedad de materiales para tuberías forzadas. Para grandes

saltos y grandes diámetros, la tubería fabricada en acero soldado, con juntas

longitudinales y circunferenciales, sigue siendo la solución preferida, porque es

relativamente barata y porque puede conseguirse con el diámetro y espesor

26

–

requeridos por el proyectista. Sin embargo, si se encuentra en el mercado tubería

espiral, soldada por arco sumergido o incluso por inducción, del tamaño apropiado

para el caudal de diseño, muy utilizada en gaseoductos y oleoductos, esa será, sin

duda, la solución más económica.

El acero, a medida que disminuye el salto, va resultando menos competitivo, porque el

espesor requerido para compensar la corrosión, interna y externa, no disminuye con el

espesor de pared, y porque se necesita un espesor mínimo para poder manipular los

tubos en obra sin que se deformen.

Figura 2: Diversos tipos de unión de tuberías

Para diámetros más pequeños hay un gran abanico de opciones: tubo de acero

estirado, con uniones de enchufe y cordón y anillos de cierre, o con bridas para

atornillar (figura 5.32) tuberías de hormigón, centrifugadas o pretensadas y tuberías de

amianto-cemento.

Los tubos con juntas de enchufe y cordón, construidos en acero, fundición dúctil o

PVC, con empaquetaduras flexibles no necesitan juntas de dilatación, ya que estas

absorben los pequeños movimientos longitudinales; tuberías reforzadas con fibra de

vidrio (GRP), de PVC o de polietileno (PE). Las tuberías de PVC resultan muy atractivas

para saltos de altura media (una tubería PVC de 0,4 m de diámetro puede utilizarse en

saltos de hasta 200 metros) porque son más baratas y más ligeras que las de acero y

no necesitan protección contra la corrosión. Las tuberías de PVC15 son fáciles de

27

–

instalar porque vienen con uniones de enchufe y cordón. Debido a su baja resistencia a

los rayos UVA no pueden instalarse al aire a no ser que estén pintadas o recubiertas de

cinta protectora. Por el contrario las tuberías de PVC solo admiten radios de curvatura

muy grandes (100 veces el diámetro del tubo), su coeficiente de dilatación térmica es

cinco veces la del acero, y son bastante frágiles. Las tuberías de polietileno de alto

peso molecular, como el PE16, pueden ser colocadas sobre el terreno y admiten un

radio de curvatura de 20 a 40 veces su diámetro (existen piezas especiales para radios

más pequeños) y flotan en el agua pero solo pueden unirse por soldadura de fusión en

obra, para lo que se requieren maquinas especiales.

En la Tabla 5.4 se detallan las propiedades mecánicas más relevantes de los materiales

antes citados. Los valores del coeficiente Hazen Williams varían según sea el estado de

la superficie interior del tubo.

IV.6. DISEÑO HIDRÁULICO Y REQUISITOS ESTRUCTURALES

Una tubería forzada se caracteriza por el material empleado en su construcción, su

diámetro y espesor de pared y el tipo de unión previsto para su instalación.

• El material se escoge de acuerdo con las condiciones del mercado, teniendo presente su

peso, volumen, sistema de unión y coste.

• El diámetro se escoge para que las pérdidas por fricción se mantengan dentro de límites

razonables

28

–

• El espesor de pared se calcula para resistir la máxima presión hidráulica interna incluido,

cuando sea previsible, el golpe de ariete y eventualmente los esfuerzos inherentes a su

trabajo como viga.

IV.7. NUMERO DE TUBERIALa elección del número de tuberías no está determinada por las características físicas del

aprovechamiento sino más bien por motivos de mantenimiento y previsión que

determinan el marco en que se desarrollan los proyectos industriales. La solución de

menor inversión es desde luego la de una sola tubería, siempre que se pueda realizar de

una sección transversal suficiente, pero en este caso, el conjunto de la instalación quedaría

fuera de servicio cuando, a consecuencia de un accidente o avería fuese necesario reparar

la tubería o alguno de sus órganos auxiliares (válvulas, compuertas, etc.). Cuando la central

consta de varios grupos, que es lo más normal es necesario, por motivos de fiabilidad de la

instalación, independizar el funcionamiento de los mismos, y este grado de independencia

es algo qué habrá que determinar en cada caso. En la figura de abajo se muestra la

evolución del diámetro de las tuberías y del costo de las mismas conforme aumenta el

número de ellas. Es de notar que los valores numéricos están dados en forma relativa

tomando como base el casi de una única tubería.

29

–

IV.8. DIÁMETRO DE LA TUBERÍA.El diámetro es el resultado de un compromiso entre costo y pérdida de carga. La potencia

disponible para un caudal Q y un salto H viene dada por la ecuación:

P = QHγη

En la que Q es el caudal en m3/s, H la altura de salto neta en metros, γ el peso especifico

del agua en kN/m3 y η el rendimiento global del conjunto. El salto neto se obtiene

deduciendo del bruto la suma de todas las pérdidas de carga, incluidas las generadas por

fricción y turbulencia en la tubería forzada, ambas proporcionales al cuadrado de la

velocidad de la corriente. Para transportar un cierto caudal, una tubería de pequeño

diámetro necesitará más velocidad de corriente que otra de mayor diámetro, y

consecuentemente las pérdidas serán más elevadas. Escogiendo un diámetro pequeño se

reducirá el coste de la tubería pero las pérdidas de energía serán mayores y viceversa.

En el capítulo 2 se explicitan las ecuaciones más empleadas para el cálculo de las pérdidas

por fricción, haciendo especial énfasis en la representación gráfica de las ecuaciones de

Colebrook (el diagrama de Moody y las cartas de Wallingford) y en la formula de Manning.

En el presente capítulo se hace uso de aquellos fundamentos y se desarrollan una serie de

ejemplos, que facilitarán la aplicación de los conocimientos teóricos a los casos reales.

Un criterio simple para determinar el diámetro de una tubería, es el de limitar las pérdidas

de carga a un determinado porcentaje. Una pérdida del 4% de la potencia es un m valor

generalmente aceptable. Un enfoque más riguroso exigiría considerar varios diámetros

posibles, calcular la pérdida anual de energía en cada uno de ellos, y actualizarlas a lo largo

de la vida del aprovechamiento De esta forma se puede dibujar un gráfico con la curva

diámetros pérdidas actualizadas, al que se superpone el coste para cada diámetro. Se

suman gráficamente ambas curvas y el diámetro óptimo será el mínimo de la curva

resultante (figura 5.33).

30

–

Figura: diámetro optimo de la tubería

En la práctica, en una tubería forzada, las pérdidas fundamentales son las de fricción; las

pérdidas por turbulencia en la tubería, al paso por la rejilla, a la entrada de aquella, en los

codos, expansiones, concentraciones y válvulas, son pérdidas menores. Bastará pues en

una primera aproximación calcular las pérdidas por fricción, utilizando por ejemplo la

ecuación de Manning.

Analizando la ecuación (5.14) se aprecia que, al dividir por dos el diámetro, las pérdidas se

multiplican por 40. Basta despejar D, en la (5.14) para poder calcular el diámetro de la

tubería que limite las pérdidas por fricción a los valores requeridos

IV.9. RESUMEN

Recordemos ante todo, la existencia de un coeficiente característico de las tuberías forzadas; se trata del producto: D x H, donde D en metros, es el diámetro de la tubería y H la altura del salto (en metros). Este coeficiente puede fácilmente alcanzar el valor de 2000

31

–

m2 para tuberías metálicas (limite alrededor de 2500 m2 y alrededor de 1000 para tuberías en concreto armado precomprimido con caídas de 400 – 500 metros como máximo.

Esto quiere decir, por ejemplo, que una tubería metálica de un metro de diámetro puede ser empleada hasta 2000 – 2500 metros de caída y una tubería de 4 metros de diámetro se puede utilizar para caídas de 50 – 60 metros.

Es prudente utilizar las tuberías de hormigón armado no precomprimido con no más de 60

m de caída y un producto D x H igual a 200 m2 como máximo. La uralita soporta presiones de 150 m de columna de agua y se alcanzan productos dxh de 90 m2.

IV.10. PRESIONES

Presión de prueba en fábrica o presión de fábrica (Pf): Es aquella presión sobre la que se

timbran y clasifican los tubos comerciales, que habrán de superar en fábrica sin romperse

ni perder estanquidad.

Presión nominal (PN): Aquella por la que se conoce comercialmente y que sirve para

tipificar, clasificar y timbrar los tubos. Es un número convencional que coincide con la

presión de trabajo a 20ºC en tuberías de plástico (PVC y PE).

Presión de rotura (PR): Aquella a la cual se rompe la tubería

Presión de trabajo (PT): Máxima presión a la que se recomienda que trabaje el tubo, ya que

es la máxima presión interna a la que puede estar sometido un tubo en servicio a la

temperatura de utilización. Constituida por la presión de servicio más las sobrepresiones

accidentales que pudieran producirse, como por ejemplo las debidas al golpe de ariete.

Presión de servicio (PS): Presión a la que efectivamente se hace trabajar la tubería. Siempre

debe ser menor o igual que la presión de trabajo.

Se denomina coeficiente de seguridad al cociente Pr/PT

EMPUJE

El empuje sobre la superficie cilíndrica equivale al empuje sobre la proyección de la misma

en el plano diametral considerado.

32

–

Considerando la presión muy superior al efecto de la gravedad, despreciando por tanto el

peso del líquido.

Para la presión de rotura

Según la presión que pueden soportar (PR), los tubos se clasifican en:

De baja presión < 3 atm

De media presión 3-10 atm

De alta presión > 10 atm

Las características que definen los tubos y accesorios son: diámetro, espesor y presiones.

33

–

CONCLUSIONES

Tener en cunetas la perdida de fricción y de carga existentes en la tubería forzada Se debe elegir el tip de tubería de acuerdo a la zona donde se encuentra la obra. De acuerdo a la topografía dl terreno y de la precipitación existente se tomara en

cuenta la conducción hidráulica Se debe conocer que y de generador se tiene para así considerar distintos tipos de

protección. Contar una chimenea para evitar el golpe de ariete después de la tubería forzada. Parea calcular la tubería tener en cuenta el material, diámetro y el espesor. Cuando la tubería forzada es de menor diámetro, su velocidad es máxima.

34