centrales hidraulicas 1
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CENTRALES HIDRÁULICAS - CH
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Principio de funcionamiento básico de una CH
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Ciclo hidrológico
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Ciclo Hidrológico
De acuerdo al ciclo hidrológico, una parte del agua que se precipita en las áreas continentales, tiende a infiltrarse al suelo y otra parte a escurrir superficialmente hasta alcanzar los cauces naturales.
Finalmente estas aguas alcanzan las masas oceánicas, donde por el mecanismo de evaporación y posterior condensación, se originan la mayor parte de las nubes.
Las nubes, producidas por finas partículas de agua condensadas y aglutinadas, son las que originan las lluvias, principal género de precipitación atmosférica sobre los continentes.
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Potencial Hidráulico Natural
Una de las consecuencias más importantes de este ciclo, en cuanto a la disponibilidad hídrica, es el escurrimiento natural de las aguas en las cuencas hidrográficas gracias a la variación altimétrica (perfil longitudinal) y también del área transversal de drenaje de la cuenca (caudal)
A partir de la variación de caudal (a lo largo de la cuenca) y de la altimetría, es que se proyecta un Plano de Caídas de la cuenca.
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Plano de Caídas
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Potencial Hidráulico Natural De acuerdo con el Plano de Caídas, la energía potencial
(natural) del agua del rio en el trecho fluvial se concentrará en una CH (reservorio), siendo en ella transformada en energía mecánica (potencia en la turbina) y en energía eléctrica (potencia en el generador), de acuerdo con:
P = 9,81*η*Qt*H , donde:
P = Potencia eléctrica generada en la caída (KW);
H = Caída o salto neto (m);
η = rendimiento del grupo Turbina-Generador;
Qt = caudal turbinado (m3/s)
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Características principales
La potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable, además de las características de la turbina y del generador.
La energía garantizada o firme, en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada.
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Reglas Generales
Reglas Generales El plano de caídas de un río que drena una cuenca, definirá con una
precisión razonable el potencial energético natural disponible.
Buscar el aprovechamiento integral del potencial energético del río, teniendo en cuenta la maximización de generación de energía a partir de CHs.
En este sentido, los planos de caídas deberán considerar las características topográficas y de escurrimiento, analizadas en los lugares estratégicos.
En cada caída (CH), así como en la cascada de CHs a lo largo de la cuenca, deberá ser priorizado no solo la maximización de energía, sino que el uso múltiple del agua.
Además de los condicionantes anteriores, el proyectista deberá tener en cuenta las condiciones económicas relacionadas al consumo y oferta de energía de cada región, sin olvidar del aspecto medioambiental.
El hecho de que el potencial hidráulico sea muy variable a lo largo del tiempo (periodos secos/lluviosos, años secos/húmedos), favorece estratégicamente a la implementación de usinas térmicas para auxiliar a las hidráulicas (crisis energética en el Brasil en el 2001)
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Plano de Caídas - Consideraciones
Las CHs a pelo de agua, en general, son vulnerables a los periodos críticos de la cuenca, con la ventaja de presas de menor altura (cuestiones ambientales);
Las CHs con regulación poseen un volumen útil, por lo que son menos influenciadas por los periodos hidrológicamente críticos, con extensas áreas inundadas generalmente;
El volumen necesario para conseguir el mismo grado de regulación será tanto mayor a mayor “edad” del río (mayores inundaciones).
Datos necesarios para estudios preliminares: cartas topográficas, fotos aéreas, colecta de datos hidrológicos (series largas);
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Plano de Caídas - Consideraciones
El aprovechamiento integral de la cuenca, exige que el nivel de agua (NA) río arriba de una CH alcance el NA río abajo de la CH más próxima ubicada río arriba;
Este aprovechamiento integral debe ser considerado por más que en el momento de estudio, algunas de las CHsproyectadas sean poco económicas;
En caso de una desembocadura de un afluente importante entre dos desniveles, a veces es aconsejable aumentar la caída de la CH aguas abajo a costas del aprovechamiento
aguas arriba.
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Tipos de Aprovechamientos y Arreglos
1. Según el salto disponible
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Centrales de alta presión (salto > 200 m)
Centrales de media presión (20 m < salto < 200 m)
Centrales de baja presión (salto < 20 m)
Características generales según el saltoCaracterística Saltos de poca
alturaSaltos de altura
mediaSaltos de gran altura
Topografía Terreno llano Terreno suavemente ondulado
Terreno montañoso
Importancia del caudal respecto a la altura
Grande Media Pequeña
Embalse Sin embalse o con reserva diaria
Presa y reserva diaria o semanal
Embalse anual o hiperanual
Llegada del agua a la Central
Central de agua fluyente (a veces canal
de derivación)
Canal de derivación (a veces central de agua
fluyente)
Canal de derivación o túnel y central a pie de presa
Tipo de Central Canal de llegada, sala de máquinas
Canal de llegada,tubería forzada, sala
de máquinas
Canal de llegada, chimenea de equilibrio, tubería forzada,
sala de máquinas
Tipo de turbina Kaplan, Hélice,Bulbo, Francis rápida
Francis normal, a veces Kaplan
Pelton, Francis lenta
Tamaño de turbina Grande Mediana Pequeña
Eje de la turbina Vertical Vertical Horizontal
Costo inicial / kWinstalado
Alto Medio Bajo
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2. Según las características de producción de energía
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Centrales a pelo de agua (sin regularización)
- También llamadas centrales a caudal libre o de agua fluyente.
- El agua disponible en cada momento o se turbina y/o se vierte, no se acumula.
- Central de base. En general, son plantas de poca potencia. Excepción???
- No disponen de embalse de regularización como tal.
- Presa utilizada para mantener un nivel constante.
- Producción de energía inconstante (no regulariza caudal).
- Meses o años secos / húmedos, centrales térmicas activas / inactivas.
2. Según las características de producción de energía (cont…)
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Centrales con embalse de regularización- Generalmente grandes presas, grandes embalses. (YZU, ACY)
- El embalse tiene por objeto regularizar las aportaciones de caudal de los ríos.
- Pueden ser con pequeña regulación (diaria o mensual) o con regulación anual o plurianual.
- Pueden utilizarse como centrales de base y/o de punta.
- Disponen de embalses, con volumen útil de regularización.
- Producción de energía constante, independiente del régimen del río.
Central a pelo de agua
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Central de agua embalsada
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3. Según la disposición
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Centrales de represamiento (a pie de presa)
- Casa de fuerza localizada al pie de la presa.
- Desnivel creado por la presa del embalse.
Centrales de desvío- Un canal, tubo o túnel conduce por gravedad el agua desde el reservorio hasta la casa de fuerza ubicada aguas abajo.
Centrales de derivación- El agua represada es conducida por gravedad, por un túnel o canal, a otra cuenca hidrográfica ubicada al lado en un punto más bajo.
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Central de Represamiento
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Central de Represamiento
23PREPARADO POR: Ing. Pablo Guimarães
Central de Represamiento
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Central de Represamiento
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Central de Desvío
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Central de Desvío
Chimenea de equilibrio
Galería de Presión
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Central de Desvío
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Central de Derivación
Cámara de cargaCanal
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Central de Derivación
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Partes principales de una CH
Central Hidroeléctrica tipo
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Central Hidroeléctrica de agua embalsada y a pie de presa tipo.Principales partes de la misma:1. Agua embalsada2. Presa3. Rejillas filtradoras4. Tubería forzada5. Conjunto turbina-
alternador6. Turbina7. Eje8. Generador9. Líneas de transporte
de energía eléctrica10. Transformadores
CH - ITAIPU
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Potencias instaladas de algunas centrales Presa de las tres gargantas (China):
32 * 700 MW = 22.500 MW
CH-Itaipú:
20 * 700 MW = 14.000 MW
CH-Yacyreta:
20 * 154 MW = 3.080 MW
CH-Acaray (ANDE) En proceso de repotenciación:
2 * 45 = 90 MW
2 * 60 = 120 MW
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Componentes de una CH
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1. Embalse.
2. Presa ó Represa.
3. Compuerta ó Cámara de Rejas.
4. Aliviadero ó Vertedero.
5. Sistema de Conducción.
6. Tubería Forzada.
7. Casa de Máquinas:
Turbina.
Eje.
Generador
Transformador
8. Subestación o líneas de
transmisión.
9. Desfogue al lecho del Río.
Embalse
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Resulta de almacenar el agua de un río; las dimensiones de éste dependen de los caudales aportados por el río embalsado, sus afluentes y la caída de agua de lluvia. Se utiliza para mantener disponibilidad del agua y el mejor aprovechamiento de su caudal. Esta agua acumulada se utiliza para generar energía eléctrica en las horas de mayor consumo.
Finalidad de los Embalses
Regular el caudal de un río o arroyo, almacenando el agua de los períodos húmedos para utilizarlos durante los períodos más secos para el riego, para el abastecimiento de agua potable, para la generación de energía eléctrica, o para permitir la navegación. Cuando un embalse tiene más de un fin, se le llama de uso múltiple;
Contener los caudales extremos de las avenidas o crecidas.
Crear una diferencia de nivel para generar energía eléctrica, mediante una central hidroeléctrica;
Crear espacios para esparcimiento y deportes acuáticos.
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Características de los Embalses
Las características físicas principales de un embalse son las curvas cota-volumen, la curva cota-superficie inundada y el caudal regularizado.
Dependiendo de las características del valle, si este es amplio y abierto, las áreas inundables pueden ocupar zonas densamente pobladas, o áreas fértiles para la agricultura.
El caudal regularizado es quizás la característica más importante de los embalses destinados, justamente, a regularizar, a lo largo del día, del año o periodos plurianuales, el caudal que puede ser retirado en forma continua para el uso para el cual se ha construido el embalse.
Irregularidades en el régimen hidráulico: diaria, estacional, anual.
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Niveles Característicos de los Embalses
Nivel mínimo minimorum.
Nivel mínimo operacional.
Nivel medio.
Nivel máximo operacional.
Nivel del vertedero.
Nivel máximo normal.
Nivel máximo maximorum.
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Presas
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Construcción que se levanta en el lecho del río para atajar el agua, produciendo una elevación de su nivel que permite la derivación de ella, y/o para almacenar el agua regularizando el caudal del río.
Presas de derivación:Están dispuestas, preferentemente, con el objetivo de elevar el nivel del agua, contribuyendo a crear el salto y controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las tomas de agua de derivación, siendo efecto secundario el almacenamiento del agua cuando lo requieran las necesidades de consumo. Normalmente son de poca altura, y están dispuestas para que el agua vierta por encima de ellas mediante vertederos denominados también aliviaderos de coronación.
Presas de embalse:Por el contrario, el objeto preferente de las presas de embalse es el almacenamiento de agua para regularizar el caudal del río, siendo el efecto secundario la elevación del nivel del agua para producir altura de salto. Por lo general, no están dispuestas para que las aguas viertan por encima, sino que tienen construcciones laterales, denominadas aliviaderos de superficie que sirve para devolver el agua excedente al cauce aguas abajo de la presa, cuando se ha llenado el embalse.
Presas - Tipos
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De gravedad, que retienen el agua
gracias al tipo de materiales
empleados, como mampostería u
hormigones.
De contrafuerte, formadas por una
pared impermeable situada aguas
arriba, y contrafuertes resistentes
para su estabilidad, aguas abajo.
De arco-bóveda, que aprovechan el
efecto transmisor del arco para
transferir los empujes del agua al
terreno.
De tierra y escollera, con un núcleo
de material arcilloso, que a veces es
tratado químicamente o con
inyecciones de cemento.
Presa de Gravedad
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Vertedero de Superficie
Presa de Contrafuertes
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Vertedero de Superficie
Presa de Arco
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Vertedero de Superficie
Presas de Tierra y Escollera
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Vertedero de Superficie
Presas de Itaipú
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Vertedero de Superficie
Vertederos o Aliviaderos
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Tienen por objetivo verter las aguas sobrantes cuando está lleno el embalse, sin que estas pasen por la sala de máquinas, y que pueden determinar una excesiva elevación del nivel máximo de dichas aguas, poniendo en peligro la estabilidad de la presa.
Vertedero de Superficie
Vertederos o Aliviaderos
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Vertedero de Superficie
Vertederos de Descarga Profunda
FUNCIONES
Control del nivel del embalse
Vaciado del embalse
Limpieza de sedimentos
Control del río en fase de construcción
Colaboración en control de avenidas
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VERTEDERO PRINCIPAL
Formado por bloques de hormigón,
cuyas dimensiones máximas son 15
m. de largo, 24 m. de alto y 40 m. de
base. El largo total es de 30 m y tiene
dos bloques para compuertas de
sector de 11 x 9,30 m.
VERTEDEROS DE LA PRESA YGUAZU
COMPUERTAS RADIALES
2 Compuertas Radiales con
dimensiones de 3,6 x 4,6 m y
capacidad de 1500m³/s c/u
DESCARGA PROFUNDA
Bloque de hormigón, de 15 m de largo, 37 m de alto
y 37 m de base. Tiene incorporado dos túneles de
sección rectangular de 3 m de ancho por 4 m de
alto, separados entre sí por un muro de 3 m de
ancho, para un caudal de descarga máxima de 335
m3/s.
VERTEDEROS DE LA PRESA YGUAZU
VERTEDERO DE DESCARGA LIBRE
Formado por bloques de hormigón, de 15 m de
longitud, 38 m. de alto y 33 m. de base, separados
entre sí por juntas de dilatación. La longitud total
es de 150 m. y estan preparados para una descarga
de más de 5.000 m³/seg.
Compuertas
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Las compuertas se utilizan para cerrar las conducciones de agua (canales y tuberías), así como para regular el caudal de agua en dichas conducciones, o para verter el agua excedente a través de los vertederos en casos de abundancia de agua.
En los aprovechamientos hidroeléctricos, las compuertas se sitúan, en las tomas de agua, en los desagües de fondo, en los canales de derivación, en los vertederos, etc.
Vertedero de Superficie
Compuerta tipo Taintor
Compuertas tipo vagón y stop log
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Compuerta Stoplog
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Compuertas radiales de vertedero
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Compuerta tipo Taintor
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Otras compuertas
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Compuerta de Sector Compuerta pivotante
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Detalle de una toma de agua
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Detalle de toma de agua
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Canal de conducción
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Utilizadas en las Centrales sin embalse de regulación, el canal de conducción o derivación se utiliza para conducir el agua desde la presa de derivación hasta las turbinas de la central.
El agua circula a presión atmosférica, generalmente a bajas velocidades, terminando en la cámara de carga o de presión.
Canal de conducción
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Canal de conducción
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Decantadores
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Los decantadores son estructuras hidráulicas que tienen como función remover las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar.
Se utilizan en tomas para acueductos, en centrales hidroeléctricas (pequeñas), plantas de tratamiento y en sistemas industriales.
Se dispone en toda derivación un decantador, que permite detener y después arrojar nuevamente al cauce principal los sedimentos delgados no depositados en el decantador comprendido entre el lecho del río arriba de la presa de derivación y el umbral de toma.
Cámara de Carga
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Empleadas en las CHs de conducción abierta, entre ésta y la tubería forzada.
Tiene por objeto proveer un volumen de agua suficiente a la tubería de presión para evitar el colapso de la misma por subpresiones, en caso de aumentos súbitos de carga.
También sirve para evitar los golpes de ariete en las tuberías forzadas por causa del cierre brusco de las turbinas.
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Galería de presión
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Toda derivación para una CH, tomada directamente desde el embalse, se hace por conducto a presión (generalmente en túnel), que conduce el agua hasta un punto conveniente, desde el cual se continúa por tubería forzada.
En algunos casos, entre ésta y la tubería forzada, y en especial en tuberías de gran longitud, se instala un tanque de compensación o chimenea de equilibrio.
Ir a Derivación
Chimenea de equilibrio
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Situada normalmente en la zona de unión de la galería de presión y la tubería forzada.
Estas son en esencia, un pozo vertical o inclinado, abierto por la parte superior situado en el trayecto de la tubería lo más cerca posible de las turbinas.
Su función es evitar los golpes de ariete (positivos o negativos) en las tuberías forzadas, actuando como un muelle o resorte mecánico, evitando las variaciones bruscas de presión, o como un capacitor en un circuito eléctrico, que impide las variaciones bruscas de tensión en dicho circuito.
Ir a figura
Turbinas con Cámara Abierta (Sin Tuberías Forzadas)
Solamente en saltos de pequeña altura (menor a 15 m) es posible hacer llegar directamente al distribuidor de la turbina el agua procedente del canal y es cuando se utilizan las turbinas de cámara abierta, la cual hace, también, las veces de cámara de carga o presión.
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Tuberías o Ductos Forzados Pero, en saltos mayores, las turbinas son de cámara
cerrada (en forma de espiral) a la que afluye el agua que es conducida por tuberías forzadas.
Las tuberías forzadas, tienen por objeto conducir el agua desde la cámara de presión o desde el embalse, hasta las turbinas cuando, por causa de la altura del salto, se precisa tal disposición para transformar la energía potencial de posición que tiene el agua en la cámara o en el embalse, en energía potencial de presión, que tiene junto a la turbina y al final de la conducción forzada.
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Tuberías Forzadas
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Unas veces, la tubería forzada es completamente cerrada y se dirige directamente del embalse o cámara de presión a la turbina.
Tuberías Forzadas En otras ocasiones, se dispone un primer tramo de tubería de
presión 2 (galería de presión), con escasa pendiente, hasta la chimenea de equilibrio 3. A partir de ésta sigue un segundo tramo 4 (tubería forzada propiamente dicha), de pendiente mucho más pronunciada, que une la chimenea de equilibrio con la turbina.
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Órganos de obturación Los órganos de obturación denominados, en general,
válvulas, se utilizan para abrir y cerrar el paso del agua por los conductos forzados.
Según el empleo a que están destinados, los órganos de obturación pueden ser:
a) órganos de seccionamiento, cuya misión es cerrar el paso del agua hacia las turbinas, cuando sea necesario;
b) órganos de seguridad, que deben obturar el conducto, no solamente en el caso en que el caudal sobrepase el absorbido normalmente por la turbina, sino también, en caso de embalamiento de ésta última.
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Órganos de obturación Compuerta para arranque de
la tubería forzada:
Empleada normalmente para saltos con embalses y cuya entrada de agua en la turbina se halla situada a unos cuantos metros por bajo del nivel normal del embalse.
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También para las tomas de agua en las conducciones forzadas de los saltos con embalse provistas de chimeneas de equilibrio.
Por seguridad, antes de ella, se instala una compuerta stop log (ataguías).
Órganos de obturación
Válvulas de compuerta:
Desplazamiento vertical de un tablero deslizante por unas guías.
Cierre estanco.
Precisan de dispositivos de
by-pass.
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Órganos de obturación Válvulas de mariposa: Empleadas como órganos de
emergencia y seguridad en el arranque de tuberías forzadas.
Empleadas principalmente en saltos de poca altura y gran caudal.
Algunas no presentan cierre estanco.No precisan de dispositivos de
by-pass. Ocasionan grandes pérdidas dan lugar
a vibraciones.Depresiones creadas dentro del disco,
provocan cavitación. Son válvulas muy rápidas.
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Órganos de obturación Válvulas esféricas:
Pérdidas que originan es mínima.
Cierre estanco.
No permiten el cierre rápido en caso de emergencia y de grandes caudales.
Provistas de by-pass.
Provocan pocas vibraciones y pueden servir como válvulas de regulación.
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Descargas o desagües de fondo
Se denomina descarga de fondo a una estructura hidráulica, asociada a las presas hidráulicas, cuya función es:
Garantizar el caudal ecológico inmediatamente aguas abajo de una presa.
Permitir el vaciado parcial o total del embalse para efectuar operaciones de mantenimiento en la presa.
Reducir el volumen de material sólido depositado en proximidad de la presa.
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