Ttulo: central mini hidrulica
P.
Abstract The Mini hydraulic power plants contribute
significantly in the production of electrical energy. In this
research theme will be the technical aspects involved in a mini
hydroelectric power plant, in addition the turbines that are the
basis of his performance likewise turbine types and the essentials
for the election of a turbine. Also the environmental impact that
these plants could cause was taken into account.
Resumen las minicentrales hidrulicas contribuyen de forma
significativa en la produccin de energa elctrica. En este tema de
investigacin se vern los aspectos tcnicos que se involucran en una
central mini hidrulica, adems las turbinas que son la base de su
funcionamiento as mismo los tipos de turbina y los aspectos
esenciales para la eleccin de una turbina. Tambin se tomara en
cuenta el impacto ambiental que este tipo de centrales podra
provocar.
Palabras clave: Mini central hidrulica, turbinas.
INTRODUCCINEn la actualidad la energa disponible ha sido siempre
una parte fundamental para la el progreso de la humanidad por lo
que cada vez la demanda es creciente y los recursos energticos para
cubrir estas necesidades de consumo y progreso y porque no tambin
la comodidad, no son capases de suministrar o pueden ser muy
costosas de producir o tambin pueden generar un impacto ambiental
muy grande. Por lo se ha pensado o trata de cambiar con Las energas
renovables que provienen de fuentes inagotables como el Sol y no
emiten gases de efecto invernadero, entre otros beneficios, son una
de las piezas clave en la construccin de un sistema de desarrollo
sostenible.Las energas renovables han dejado de ser tecnologas
caras y poco utilizadas para ser plenamente competitivas y eficaces
de cara a cubrir las necesidades de la demanda. Dentro de estas
energas renovables se encuentra la energa hidroelctrica, como
principal aliado en la generacin de energa limpia y autctona. Se
denominan minicentrales hidroelctricas a aquellas instalaciones de
potencia instalada inferior a 10 MW de las cuales nos centraremos
en este informe.TEXTOAntecedentes.La energa hidrulica es una energa
renovable, prcticamente gratuita y limpia. En la produccin de
electricidad sustituye a los combustibles de origen fsil y nuclear
con todos los problemas de eliminacin de desechos que traen
consigo. Entre los argumentos que hablan a favor de la energa
hidrulica en general y de los pequeos aprovechamientos en
particular podemos mencionar: No hay forma ms limpia de producir
energa elctrica que la basada en la energa hidrulica. El agua como
combustible no se consume, solo es explotada y no empeora su
calidad. No se producen emisiones contaminantes. Debido a una mayor
conciencia que actualmente se tiene en cuanto a los problemas del
medio ambiente, tanto el fabricante como el propietario de una
instalacin generadora de electricidad ya no pueden permanecer
indiferentes ante la pregunta de si la tecnologa elegida es o no
perjudicial para el medio ambiente. Un pequeo aprovechamiento
hidroelctrico puede ser realizado bien sobre un sitio tal que ya
exista una presa construida o una cada de agua determinada que
define perfectamente el lugar o, por contraste, en una vertiente
suave donde la altura se obtendr por medio de un canal de entrada,
tubera de presin, y dems componentes.En muchos pases la
hidrogeneracin ha sido usada para disminuir la declinacin rural y
desarrollar regiones aisladas. En general cuando se habla de
instalaciones hidroelctricas se piensa en grandes emprendimientos,
es decir, grandes presas y reservorios, grandes extensiones de agua
embalsada; y por supuesto ha habido muchos de tales proyectos en
todo el mundo. Pero son otros en una escala ms pequea los que nos
ocupan en este trabajo. Muchos de estos pequeos proyectos son del
tipo de pasada, esto es, son diseados para usar el caudal del ro o
arroyo tanto como sea posible mediante una desviacin del total o
parcial del caudal hacia un canal y posterior cmara de carga para
dirigirse luego hacia la turbina por medio de una tubera.Desde la
crisis del petrleo ha sido reconocido que los pequeos
aprovechamientos pueden complementar la generacin por combustibles
fsiles y proveer una fuente de energa econmica y confiable para las
comunidades aisladas. Los pases ms desarrollados del mundo tienen
una capacidad de generacin elctrica mediante pequeas centrales
hidrulicas muy elevada, tal es el caso de China que tiene una
capacidad instalada de 950 MW.
Definiciones.Las centrales hidroelctricas pueden definirse como
instalaciones mediante las que se consigue aprovechar la energa
contenida en una masa de agua situada a una cierta altura,
transformndola en energa elctrica. Esto se logra conduciendo el
agua desde el nivel en el que se encuentra, hasta un nivel inferior
en el que se sitan una o varias turbinas hidrulicas que son
accionadas por el agua y que a su vez hacen girar uno o varios
generadores, produciendo energa elctrica
Transformacin de energa hidrulica en energa elctrica.[1]
Aspectos tcnicos de una central minihidrulicaTipos de centrales
hidroelctricasEl objetivo de un aprovechamiento hidroelctrico es
convertir la energa potencial de una masa de agua situada en un
punto - el ms alto del aprovechamiento- en energa elctrica,
disponible en el punto ms bajo, donde est ubicada la casa de
mquinas. La potencia elctrica que se obtiene en un aprovechamiento
es proporcional al caudal utilizado y a la altura del salto.De
acuerdo con la altura del salto los aprovechamientos pueden
clasificarse en: De alta cada: salto de ms de 150 m De media cada:
salto entre 50 y 150 m De baja cada: salto entre 2 y 20 m Estos
lmites son arbitrarios y solo constituyen un criterio de
clasificacin. Otra clasificacin en funcin del tipo de central sera
la de: Centrales de agua fluyente: Estas centrales no acumulan
agua, sino que utilizan el caudal del ro tal y como venga. El agua
que no se emplee seguir su curso siendo evacuada por el aliviadero
de la central. Pueden situarse en el mismo cauce del ro o en un
canal hecho a tal efecto, y tendrn reserva o no en funcin de lo que
se haya ensanchado el ro en la zona de la central.
Esquema de una central de agua fluyente [2] Centrales de pie de
presa: Se emplean embalses para acumular un considerable volumen de
caudal y elevar el nivel del agua, de forma que se puede controlar
la potencia que producen en cada momento. Se situarn al pie de la
presa o en una derivacin del curso.
Esquema de una central a pie de presa [1] Centrales de bombeo:
Regulan la demanda energtica bombeando agua hasta una altura
superior en los momentos de escaso consumo. De esta forma se
recupera energa que se podr emplear cuando sea necesario turbinando
de nuevo esa agua bombeada. Centrales en canal de riego o tubera de
abastecimiento de agua: Es factible instalar una central
hidroelctrica aprovechando una pendiente en un canal de irrigacin,
ya sea ensanchando el canal, para poder instalar en la toma de
agua, la central y el canal de fuga, o construir una toma lateral,
que alimente una tubera forzada instalada a lo largo del canal. La
primera alternativa es ms econmica, sobre todo si el salto es
pequeo, pero exige planear simultneamente el canal y la central. La
segunda permite aprovechar la rpida con el canal en
funcionamiento.
Central en canal de riego [1]
Elementos de una minicentral hidroelctricaUna minicentral est
constituida por diversos componentes y equipos que pueden
clasificarse en tres grandes grupos:a) Obra civil. La obra civil
engloba aquellas obras e instalaciones necesarias para derivar,
conducir y restituir el agua turbinada, as como para albergar y
proteger los equipos electromecnicos. Son obra civil los siguientes
elementos: Azudes y presas: Son las obras que se construyen en el
curso del agua, transversalmente al mismo, para la retencin y
desviacin hacia la toma del caudal que se deriva hacia la
minicentral. En los azudes se produce una retencin del agua sin que
haya una variacin importante del nivel de agua. En las presas, el
muro se construye para elevar la superficie libre del curso de agua
creando un embalse. Obra de toma: Las obras de toma derivan el agua
hacia las conducciones que la transportarn a la minicentral.
Generalmente, en la toma se instala una reja, para impedir el paso
de peces y material slido Canal de derivacin: Es la conduccin que
transporta el agua que se deriva hacia la minicentral desde la toma
hasta la cmara de carga. A lo largo del canal, dependiendo de su
longitud, puede haber varias compuertas para limpieza y vaciado del
canal en caso necesario. Al final del canal, antes de la cmara de
carga, suelen instalarse una reja de finos con su correspondiente
mquina limpiarrejas, as como una compuerta de seguridad Cmara de
carga: Consiste en un depsito situado al final del canal de
derivacin del que parte la tubera forzada. Esta cmara es necesaria
para evitar la entrada de aire en la tubera forzada, que provocara
sobrepresiones. Tubera forzada: La tubera forzada conduce el agua
desde la cmara de carga hasta la turbina. Generalmente la tubera es
de acero. Al inicio de la tubera se instala un rgano de cierre que
permite evitar el paso de agua y vaciar la tubera poco a poco
Edificio: En el edificio se albergan los equipos electromecnicos de
la minicentral. Canal de salida: Es la conduccin a travs de la que
se restituye el agua al cauce.b) Equipamiento electromecnicoSe
consideran equipos fundamentales los siguientes: rgano de cierre de
la turbina: Son vlvulas o compuertas que aslan la turbina en caso
de parada y permiten el vaciado de la tubera y las labores de
reparacin y mantenimiento.
Turbina/s: Son mquinas capaces de transformar la energa
hidrulica en energa mecnica en su eje de salida. Su acoplamiento
mediante un eje a un generador permite, finalmente, la generacin de
energa elctrica.
Generador/es: Estas mquinas transforman la energa mecnica de
rotacin que suministra/n la/s turbina/s en energa elctrica en sus
bornes o terminales.
Pueden ser de dos tipos: Sncronos y asncronos. Los generadores
sncronos suelen emplearse en centrales con potencia superior a
2.000 kVA conectadas a la red, o en centrales de pequea potencia
que funcionan en isla (sin estar conectadas a la red). El generador
asncrono, por el contrario, debe estar siempre conectado a la red
elctrica, de la que toma la energa necesaria para producir su
magnetizacin. Es usual emplearlos en centrales de menos de 500 kVA,
siempre acopladas a la red. Para centrales con potencia aparente
entre 500 y 2.000 kVA la eleccin de un generador sncrono o
asncrono, depende de la valoracin econmica, del sistema de
funcionamiento y de los condicionantes tcnicos exigidos por la
compaa elctrica
Elementos de regulacin: Son aquellos que regulan los componentes
mviles de las turbinas y pueden ser de dos tipos: hidrulicos y
electrnicos. Su misin es conseguir adecuar la turbina a las
circunstancias existentes en cada momento (caudal turbinable,
demanda elctrica....) para que pueda trabajar con el mejor
rendimiento energtico posible en cada circunstancia
Transformador/es: Son mquinas destinadas a convertir una tensin
de entrada en otra distinta a la salida. El objeto del
transformador es elevar la tensin de generacin elctrica para
reducir en lo posible las prdidas de transporte en la lnea. Celdas
y cuadros elctricos: Suelen instalarse generalmente en el interior
de la minicentral y estn constituidos por diversos componentes
elctricos de regulacin, control, proteccin y medida.
Lnea elctrica de interconexin: La lnea elctrica transporta la
energa elctrica desde la minicentral hasta el punto de conexin con
la compaa elctrica o hasta el centro de autoconsumo.
c) Equipos auxiliares Estos equipos son tambin necesarios para
el correcto funcionamiento de una minicentral. Entre los ms comunes
estn: Compuertas Reja y mquina limpiarrejas Gra para movimiento de
mquinas Sistema contra-incendios Alumbrado Caudalmetro
Esquema de componentes de una minicentral
hidroelctrica.[1]Turbina hidrulica La turbina hidrulica tiene una
rica y variada historia, y ha sido desarrollada como un proceso
natural que ha evolucionado a partir de la rueda hidrulica. El
empleo de la turbina hidrulica para la generacin de electricidad,
utilizada originalmente para impulsar directamente la maquinaria,
es una actividad relativamente reciente. Gran parte de su
desarrollo ocurri en Francia, que, al contrario que en Inglaterra,
no dispona de las fuentes de hulla, abundantes y baratas, que
impulsaron la revolucin industrial en el siglo XVIII. La Francia
del Siglo XIX encontr que su recurso energtico ms abundante era el
agua. Hasta el da de hoy, la houille blanche, es el trmino francs
para la energa hidrulica. En este apartado se van a abordar los
diferentes tipos de turbinas, con el fin de analizar sus
propiedades bsicas, de forma que posteriormente se pueda justificar
la eleccin de una de ellas y entrar en detalle en su funcionamiento
y posibilidades. As, en primera instancia pasamos a presentar los
diferentes tipos de turbinas.Para saltos con alturas entre 1 y 70
m, es usual desarrollar proyectos con micro turbinas del tipo
Mitchell-Banki, Cross-Flow o de Doble Accin, debido a su fcil
construccin, bajo costo y altos rendimientos (aproximadamente 70%).
Es fundamental que el mantenimiento y montaje de las micro turbinas
puedan realizarse mediante procedimientos sencillos, sin necesidad
de calibracin y ajuste de los soportes de los rodamientos. Por
ejemplo con rodamientos de rodillos y sobredimensionados, sujetos
al eje por medio de un cilindro cnico (manguito) que permite un
buen ajuste al eje de la turbina. Para evitar la entrada de agua a
la caja de rodamiento, en un principio pueden ser utilizados
retenes, o bien el sistema denominado laberinto constituido por
discos colocados sobre el eje, que por fuerza centrfuga desplaza el
agua hacia afuera.Las turbinas hidrulicas tienen como misin
transformar la energa potencial y cintica del agua en energa
mecnica de rotacin. No hay informacin tan fiable como la ofrecida
por los propios fabricantes de turbinas a los que conviene
recurrir, ya en fase de anteproyecto, en caso de utilizar turbinas
comerciales. El hecho de utilizar uno u otro modelo de micro
turbina depende fundamentalmente de la tecnologa y capacidad tcnica
para construirlas 8 en cada regin. Actualmente se puede contar con
los diseos y planos constructivos de cualquier modelo de micro
turbina, proporcionados por instituciones tales como SKAT, GATE,
VITA, CREDPHI, etc. Las turbinas tipo hlice pueden ser ms
convenientes para proyectos de baja altura (inferiores a los 5 m),
utilizando tecnologas sencillas y de bajo costo, como por ejemplo,
los desarrollos realizados en China y otros pases.Una mquina
hidrulica es un dispositivo capaz de convertir energa hidrulica en
energa mecnica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices
(bombas), modificando la energa total de la vena fluida que las
atraviesa. En el estudio de las turbomquinas hidrulicas no se
tienen en cuenta efectos de tipo trmico, aunque a veces habr
necesidad de recurrir a determinados conceptos termodinmicos; todos
los fenmenos que se estudian sern en rgimen permanente,
caracterizados por una velocidad de rotacin de la mquina y un
caudal, constantes.En una mquina hidrulica, el agua intercambia
energa con un dispositivo mecnico de revolucin que gira alrededor
de su eje de simetra; ste mecanismo lleva una o varias ruedas,
(rodetes o rotores), provistas de labes, de forma que entre ellos
existen unos espacios libres o canales, por los que circula el
agua. Los mtodos utilizados para su estudio son, el analtico, el
experimental y el anlisis dimensional.El mtodo analtico se
fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a travs de los
labes, segn los principios de la Mecnica de Fluidos.El mtodo
experimental, se fundamenta en la formulacin emprica de la
Hidrulica, y la experimentacin.El anlisis dimensional ofrece grupos
de relaciones entre las variables que intervienen en el proceso,
confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomquinas,
al igual que los diversos nmeros adimensionales que proporcionan
informacin sobre la influencia de las propiedades del fluido en
movimiento a travs de los rganos que las componen.1. Tipos de
turbina hidrulica Una primera clasificacin de las turbomquinas
hidrulicas, (de fluido incompresible), se puede hacer con arreglo a
la funcin que desempean, en la forma siguiente:a) Turbomquinas
motrices, que recogen la energa cedida por el fluido que las
atraviesa, y la transforman en mecnica, pudiendo ser de dos tipos:
Dinmicas o cinticas, Turbinas y ruedas hidrulicas Estticas o de
presin, Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, etc.b)
Turbomquinas generatrices, que aumentan la energa del fluido que
las atraviesa bajo forma potencial, (aumento de presin), o cintica;
la energa mecnica que consumen es suministrada por un motor,
pudiendo ser: Bombas de labes, entre las que se encuentran las
bombas centrfugas y axiales Hlices marinas, cuyo principio es
diferente a las anteriores; proporcionan un empuje sobre la carena
de un buquec) Turbomquinas reversibles, tanto generatrices como
motrices, que ejecutan una serie de funciones que quedan
aseguradas, mediante un rotor especfico, siendo las ms importantes:
Grupos turbina-bomba, utilizados en centrales elctricas de
acumulacin por bombeo Grupos Bulbo, utilizados en la explotacin de
pequeos saltos y centrales maremotricesd) Grupos de transmisin o
acoplamiento, que son una combinacin de mquinas motrices y
generatrices, es decir, un acoplamiento (bomba-turbina),
alimentadas en circuito cerrado por un fluido, en general aceite; a
este grupo pertenecen los cambiadores de par.Ruedas hidrulicas.-
Las ruedas hidrulicas son mquinas capaces de transformar la energa
del agua, cintica o potencial, en energa mecnica de rotacin. En
ellas, la energa potencial del agua se transforma en energa
mecnica, como se muestra en la Fig 5.c, o bien, su energa cintica
se transforma en energa mecnica, como se indica en las Figs
5.a.b.Se clasifican en: Ruedas movidas por el costado Ruedas
movidas por debajo Ruedas movidas por arriba
Ruedas hidrulicas Su dimetro decrece con la altura H del salto
de agua. Los cangilones crecen con el caudal. Los rendimientos son
del orden del 50% debido a la gran cantidad de engranajes
intermedios. El nmero de rpm es de 4 a 8. Las potencias son bajas,
y suelen variar entre 5 y 15 kW, siendo pequeas si se las compara
con las potencias de varios cientos de MW conseguidas en las
turbinas.Turbinas hidrulicas.- Una turbomquina elemental o
monocelular tiene, bsicamente, una serie de labes fijos,
(distribuidor), y otra de labes mviles, (rueda, rodete, rotor). La
asociacin de un rgano fijo y una rueda mvil constituye una clula;
una turbomquina monocelular se compone de tres rganos diferentes
que el fluido va atravesando sucesivamente, el distribuidor, el
rodete y el difusor. El distribuidor y el difusor (tubo de
aspiracin), forman parte del estator de la mquina, es decir, son
rganos fijos; as como el rodete est siempre presente, el
distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas,
inexistentes.El distribuidor es un rgano fijo cuya misin es dirigir
el agua, desde la seccin de entrada de la mquina hacia la entrada
en el rodete, distribuyndola alrededor del mismo, (turbinas de
admisin total), o a una parte, (turbinas de admisin parcial), es
decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde
cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal
mximo. Es tambin un rgano que transforma la energa de presin en
energa de velocidad; en las turbinas hlico-centrpetas y en las
axiales est precedido de una cmara espiral (voluta) que conduce el
agua desde la seccin de entrada, asegurando un reparto simtrico de
la misma en la superficie de entrada del distribuidor.El rodete es
el elemento esencial de la turbina, estando provisto de labes en
los que tiene lugar el intercambio de energa entre el agua y la
mquina. Atendiendo a que la presin vare o no en el rodete, las
turbinas se clasifican en: Turbinas de accin o impulsin Turbinas de
reaccin o sobrepresinEn las turbinas de accin el agua sale del
distribuidor a la presin atmosfrica, y llega al rodete con la misma
presin; en estas turbinas, toda la energa potencial del salto se
transmite al rodete en forma de energa cintica.En las turbinas de
reaccin el agua sale del distribuidor con una cierta presin que va
disminuyendo a medida que el agua atraviesa los labes del rodete,
de forma que, a la salida, la presin puede ser nula o incluso
negativa; en estas turbinas el agua circula a presin en el
distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energa potencial
del salto se transforma, una parte, en energa cintica, y la otra,
en energa de presin. El difusor o tubo de aspiracin, es un conducto
por el que desagua el agua, generalmente con ensanchamiento
progresivo, recto o acodado, que sale del rodete y la conduce hasta
el canal de fuga, permitiendo recuperar parte de la energa cintica
a la salida del rodete para lo cual debe ensancharse; si por
razones de explotacin el rodete est instalado a una cierta altura
por encima del canal de fuga, un simple difusor cilndrico permite
su recuperacin, que de otra forma se perdera. Si la turbina no
posee tubo de aspiracin, se la llama de escape libreEn las turbinas
de accin, el empuje y la accin del agua, coinciden, mientras que en
las turbinas de reaccin, el empuje y la accin del agua son
opuestos. Este empuje es consecuencia de la diferencia de
velocidades entre la entrada y la salida del agua en el rodete,
segn la proyeccin de la misma sobre la perpendicular al eje de
giro.Atendiendo a la direccin de entrada del agua en las turbinas,
stas pueden clasificarse en: Axiales; Radiales (centrpetas y
centrfugas); Mixtas; TangencialesEn las axiales, (Kaplan, hlice,
Bulbo), el agua entra paralelamente al eje, tal como se muestra en
la En las radiales, el agua entra perpendicularmente al eje, siendo
centrfugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y
centrpetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro,
(Francis).En las mixtas se tiene una combinacin de las
anteriores.En las tangenciales, el agua entra lateral o
tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de
la rueda.Atendiendo a la disposicin del eje de giro, se pueden
clasificar en: Turbinas de eje horizontal Turbinas de eje
vertical
Turbina axial; Turbina radial; Turbina tangencial[2]2.
Descripcin de alguno tipos de turbinas hidrulicas a) Turbinas de
reaccinTurbina Fourneyron (1833), Fig.7, en la que el rodete se
mueve dentro del agua. Es una turbina radial centrfuga, lo que
supone un gran dimetro de rodete; en la actualidad no se
construye.
Turbina Fourneyron[2]- Turbina Heuschel-Jonval, Fig.8, axial, y
con tubo de aspiracin; el rodete es prcticamente inaccesible; en la
actualidad no se construye.
Turbina Heuschel-Jonval[2]- Turbina Francis (1849), Fig.9; es
radial centrpeta, con tubo de aspiracin; el rodete es de fcil
acceso, por lo que es muy prctica. Es fcilmente regulable y
funciona a diversos nmeros de revoluciones; es el tipo ms empleado,
y se utiliza en saltos variables, desde 0,5 m hasta ms de 180 m;
pueden ser, lentas, normales, rpidas y extrarpidas.
Turbina Francis[2]- Turbina Kaplan (1912), Fig.10; las palas del
rodete tienen forma de hlice; se emplea en saltos de pequea altura,
obtenindose con ella elevados rendimientos, siendo las palas
orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas,
se denominan turbinas hlice.
Turbinas Kaplan[2]b) Turbinas de accin. Estas turbinas se
empezaron a utilizar antes que las de reaccin; entre ellas se
tienen:- Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de
cucharas- Turbina Pelton, Fig.11, es tangencial, y la ms utilizada
para grandes saltos
Turbina Pelton[2]- Turbina Schwamkrug (1850), radial y
centrfuga, Fig.12
Turbina Schwamkrug[2]- Turbina Girard (1863), Fig.13, axial, con
el rodete fuera del agua; mientras el cauce no suba de nivel,
trabajaba como una de accin normal, mientras que si el nivel suba y
el rodete quedaba sumergido, trabajaba como una de reaccin, aunque
no en las mejores condiciones; en la actualidad no se utiliza.
Turbina Girard[2]
- Turbina Michel, o Banki, Fig.14; el agua pasa dos veces por
los labes del rodete, construido en forma de tambor; se utiliza
para pequeos y grandes saltos.
Turbina Michel o Banki[2]3. Estudio general de las turbinas
hidrulicas Movimiento del agua.- Para estudiar el movimiento del
agua en las turbinas hidrulicas, se utiliza una nomenclatura
universal que define los tringulos de velocidades, a la entrada y
salida del rodete, de la forma siguiente:
El subndice 0 es el referente a la entrada del agua en la corona
directriz o distribuidor El subndice 1 es el referente a la entrada
del agua en el rodete El subndice 2 es el referente a la salida del
agua del rodete El subndice 3 es el referente a la salida del agua
del tubo de aspiracinEl agua entra en el distribuidor con velocidad
y sale del mismo con velocidad , encontrndose con el rodete que, si
se considera en servicio normal de funcionamiento, se mueve ante
ella con una velocidad tangencial . El agua que sale del
distribuidor penetra en el rodete con velocidad absoluta y ngulo .
La velocidad relativa forma un ngulo (ngulo del labe a la entrada),
con la velocidad perifrica ; La velocidad relativa a lo largo del
labe es, en todo momento, tangente al mismo. Puede suceder que el
rodete inicie un aumento de la velocidad perifrica de tal forma que
la nueva velocidad > sea la velocidad de embalsamiento; en esta
situacin el agua golpeara contra la cara posterior de los labes al
desviarse la velocidad relativa en relacin con la tangente al labe,
y la fuerza tangencial se vera frenada por la fuerza de choque;
aunque el rodete gire sin control y sin regulacin, existe una
velocidad lmite de embalsamiento tal que = (1,82,2) , por lo que el
rodete no aumenta indefinidamente su velocidad.A la salida, el agua
lo hace con una velocidad absoluta , siendo y las velocidades
relativa y tangencial, respectivamente.
a) Nomenclatura de los tringulos de velocidades; b) Velocidad de
embalamiento[3]Prdidas de carga.- Las prdidas de carga que tienen
lugar entre los niveles del embalse y el canal de desage, aguas
abajo de la turbina, se pueden resumir en la siguiente forma,
Fig.17: Es la prdida de carga aguas arriba de la turbina, desde la
cmara de carga (presa), hasta la seccin de entrada en el
distribuidor de la turbina; esta prdida no es imputable a la
turbina, siendo despreciable en las turbinas de cmara abierta; en
cambio, en las turbinas de cmara cerrada, con largas tuberas con
corriente forzada de agua, s son importantes.hd es la prdida de
carga en el distribuidor hd es la prdida de carga entre el
distribuidor y el rodete, sobre todo por choque a la entrada del
rodete hr es la prdida de carga en el rodete hs es la prdida de
carga en el tubo de aspiracin hs es la prdida de carga a la salida
del difusor, por ensanchamiento brusco de la vena lquida; segn
Belanguer es de la forma:
Prdidas hidrulicas en la turbina de reaccin[3]La potencia
efectiva Hef es la energa hidrulica generada en la turbina y se
calcula teniendo en cuenta la Fig.18; tomando como plano de
referencia el AA', aplicando la ecuacin de Bernoulli a los puntos
(1) y (2), e igualando ambas expresiones, se tiene:
En la que Hef interesa sea lo ms elevada posible; los valores de
c1 y c2 son tericos. Si no hay prdidas mecnicas, Nef = N, siendo N
la potencia generada en la turbina.
Deben ser grandes, para lo cual c2 y p2 deben tender a cero.
4. Diagramas de presin Los diagramas de presiones permiten
conocer las variaciones de los diferentes tipos de energa en cada
punto de la turbina. Hay que tener en cuenta que si la turbina est
instalada sin tuberas de conexin, es una turbina de cmara abierta,
Hn = H, mientras que si existen tuberas de conexin es una turbina
de cmara cerrada, Hn = H htDiagrama de presiones en la turbina de
reaccin.- De acuerdo con la Fig.18, aplicando Bernoulli al punto
(1) de entrada del agua en el rodete, con prdidas hidrulicas,
respecto al nivel aguas abajo, se obtiene: Aplicando Bernoulli
entre los puntos (2) salida del rodete y (3) salida del tubo de
aspiracin se tiene:
Igualndolas se determinan las prdidas hs en el tubo de
aspiracin, en el que se puede suponer.
La relacin entre la altura efectiva y la total es:
Diagrama de presiones en la turbina de reaccin [3]Si a la
turbina de reaccin se quita el tubo de aspiracin: p2 = patm = 0;
aplicando Bernoulli en el punto (2) de la Fig.20 resulta:
Tubos de aspiracin cilndrico y troncocnico en la turbina de
reaccin[3]
Diagrama de presiones de la turbina de reaccin sin tubo de
aspiracin[3]
Esquema de la turbina de reaccin sin tubo de aspiracin[3]La
relacin entre la altura efectiva y la total es:
Diagrama de presiones en la turbina de accin.- Aplicando
Bernoulli a los puntos (1) y (2) del esquema de la turbina
representada en la Fig.22, y tomando como referencia el nivel
inferior, se obtiene:
Prdidas en la turbina de accin5. Descripcin de las turbinas de
accin y reaccin ms utilizadas [3]a) Turbinas de accin Turbina
Pelton Son turbinas de accin en las que la tobera o toberas (una
turbina de eje vertical puede tener hasta seis toberas, con uno o
con dos rodetes) transforman la energa de presin del agua en energa
cintica. Cada tobera produce un chorro, cuyo caudal se regula
mediante una vlvula de aguja (fig.23). Suelen estar dotadas de un
deflector, cuya misin es desviar el chorro para evitar que, al no
incidir sobre las cazoletas, se embale la turbina, sin tener que
cerrar bruscamente la vlvula de aguja, maniobra que podra producir
un golpe de ariete. De esta forma la mxima sobrepresin no supera
1,15 veces la presin esttica. Se utilizan en saltos entre 40 y 1200
m.
Seccin transversal de una tobera con deflector[4]Como la energa
cintica del agua al abandonar las cazoletas se pierde, estas se
disean para que las velocidades de salida sean mnimas. Las turbinas
Pelton de una o dos toberas pueden ser de eje horizontal (figura
24) o vertical. Las de tres o ms toberas son de eje vertical (foto
25). Seis es el mximo nmero de toberas en una Pelton pero no se
utilizan en turbinas para pequeas centrales.
Vista de una Pelton de dos toberas horizontal[4]
Pelton vertical de cuatro toberas[4]El rotor suele estar
directamente acoplado al generador y situado por encima del nivel
aguas abajo de la turbina. En la turbina Pelton el chorro incide,
como puede verse en la figura 26, con un ngulo de 90 respecto al
plano diametral del rodete.
Esquema de una turbina Pelton [4]El rendimiento de una Pelton se
mantiene elevado, para caudales entre el 30% y el 100% del mximo,
en turbinas de una sola tobera y, entre el 10% y el 100% para
turbinas de dos o ms toberas.Turbina Turgo La turbina Turgo puede
trabajar en saltos con alturas comprendidas entre 50 y 300 metros.
Como la Pelton, se trata de una turbina de accin, pero sus alabes
tienen una distinta forma y disposicin. El chorro incide con un
ngulo de 20 respecto al plano diametral del rodete (Fig.27),
entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. A diferencia
de la Pelton, en la turbina Turgo el chorro incide simultneamente
sobre varios alabes, de forma semejante a como lo hace el fluido en
una turbina de vapor. Su menor dimetro conduce, para igual
velocidad perifrica, a una mayor velocidad angular, lo que facilita
su acoplamiento directo al generador.
Esquema de una turbina Turgo[4]Su rendimiento es inferior al de
una Pelton o una Francis, y se mantiene entre lmites aceptables
para caudales entre el 20% y el 100% del mximo de diseo. Una Turgo
puede constituir una alternativa a una Francis si el caudal es muy
variable o si la tubera forzada es muy larga, ya que el deflector
evita el embalamiento cuando, trabajando a plena potencia
hidrulica, desaparece sbitamente la carga exterior, y el golpe de
ariete que, en ese caso, producira el cierre de la admisin a la
FrancisTurbina de flujo cruzado Esta turbina, conocida tambin como
Michell-Banki en recuerdo de sus inventores, se utiliza en una gama
muy amplia de alturas de salto (de 5m a 200 m). Su rendimiento
mximo es inferior al 87%, pero se mantiene entre lmites aceptables
para caudales entre el 16% y el 100% del caudal mximo de diseo. El
agua (figura 28) entra en la turbina a travs de un distribuidor, y
pasa a travs de la primera etapa de alabes del rodete, que funciona
casi completamente sumergido (incluso con un cierto grado de
reaccin). Despus de pasar por esta primera etapa, el flujo cambia
de sentido en el centro del rodete y vuelve a cruzarlo en una
segunda etapa que es totalmente de accin. Ese cambio de direccin no
resulta fcil y da lugar a una serie de choques que son la causa de
su bajo rendimiento nominal. Su construccin es muy simple y
consiguientemente requiere una baja inversin.
Esquema de una turbina de flujo transversal[4]b) Turbinas de
reaccin Turbina Francis Son turbinas de reaccin de flujo radial y
admisin total, muy utilizadas en saltos de altura media (entre 25m
y 350m), equipadas con un distribuidor de alabes regulables y un
rodete de alabes fijos. En las turbinas Francis rpidas la admisin
es radial y la salida es axial. La fig.29 muestra una turbina
Francis de eje horizontal con el tubo de aspiracin en primer
plano.
Turbina Francis[4]Las turbinas Francis pueden ser de cmara
abierta generalmente en saltos de poca altura, en cuyo caso suele
ser mejor solucin una Kaplan - o de cmara en espiral unida a la
tubera forzada. La espiral est diseada para que la velocidad
tangencial del agua sea constante y el caudal que pasa por cada
seccin del caracol sea proporcional al arco que le queda por
abastecer. Como se ve en la figura 30, el distribuidor tiene alabes
directrices mviles, cuya funcin es regular el caudal que entra al
rodete y el ngulo en que el agua incide sobre los alabes de este
ltimo. Los alabes distribuidores giran sobre su eje, mediante
bielas conectadas a un gran anillo exterior que sincroniza el
movimiento de todos ellos. Estos alabes pueden utilizarse para
cerrar la entrada del agua en casos de emergencia, pese a lo cual
sigue siendo necesaria la vlvula de mariposa que, en esos casos,
cierra la entrada del agua a la espiral. El rodete transforma la
energa hidrulica en energa mecnica y devuelve el agua al tubo
difusor.
Esquema de funcionamiento de los alabes directores[5]
Vista de una turbina Francis[6]Los rodetes de las turbinas
pequeas estn construidos generalmente en fundicin de acero
inoxidable. Algunos fabricantes emplean rodetes de fundicin de
bronce al aluminio e incluso en algunos casos rodetes fabricados
por soldadura. El tubo de aspiracin de una turbina de reaccin tiene
como objetivo recuperar la energa cintica del agua que sale del
rodete. Como esta energa es proporcional al cuadrado de la
velocidad, uno de los objetivos del tubo de aspiracin es reducir la
velocidad de salida, para lo cual se emplea un perfil cnico. Sin
embargo el ngulo del cono tiene un lmite, pasado el cual se produce
la separacin del flujo del agua. El ngulo optimo es 7, pero para
reducir la longitud del tubo, y consiguientemente su costo, en
algunos casos el ngulo se aumenta hasta 15.
Energa cintica a la salida del rotor[6]Cuanto menor sea el salto
ms importante ser el papel del tubo de aspiracin, ya que, al
disminuir aquel -para potencia equivalente- aumenta el caudal
nominal y por tanto las perdidas cinticas correspondientes. Es
fcilmente comprensible que, para un mismo dimetro del rotor, su
velocidad aumenta si aumenta el caudal. La figura 6.11 nos muestra
la energa cintica remanente del agua a la salida del rodete, en
funcin de la velocidad especfica.
Turbinas Kaplan y de hlice: Son turbinas de reaccin de flujo
axial generalmente utilizadas en saltos de 2 a 40 m. Los alabes del
rodete en las Kaplan son siempre regulables, mientras que los de
los distribuidores, pueden ser fijos o regulables. Si ambos son
regulables la turbina es una verdadera Kaplan; si solo son
regulables los del rodete, la turbina es una Semi-Kaplan. Cuando
los alabes del rodete son fijos, la turbina se denomina de hlice.
Se utilizan en aprovechamientos en los que tanto el caudal como el
salto permanecen constantes, lo que las hace poco tiles en el caso
de la pequea hidrulica.
Esquema de una Kaplan vertical de doble regulacin[6]La doble
regulacin permite su utilizacin cuando el caudal y el salto varan
en el tiempo; la turbina mantiene un rendimiento aceptable aun
cuando el caudal vare entre el 15% y el 100% del nominal de diseo.
La semi-Kaplan se adapta bien a variaciones del caudal (pueden
trabajar entre el 30% y el 100% del caudal de diseo) pero es menos
flexible cuando la altura de salto vara substancialmente La figura
33 representa el esquema de una turbina Kaplan de eje vertical, de
doble regulacin. Los alabes del rodete giran alrededor de su eje,
accionados por unas manivelas, que son solidarias de unas bielas
articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia
abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este
desplazamiento es accionado por un servomotor hidrulico, con la
turbina en movimiento. La turbina bulbo es una derivacin de las
anteriores, caracterizada porque el agua pasa axialmente a travs de
alabes directrices fijos y porque el generador y el multiplicador
(si existe) estn contenidos en una carcasa estanca, con forma de
bulbo, sumergida en el agua. La figura 34 muestra una turbina, en
la que todo el equipo est alojado en un bulbo refrigerado por
ventilacin forzada con intercambiador aire-agua. Del bulbo salen
solamente los cables elctricos debidamente protegidos.
Seccin transversal de una turbina bulbo[7]Para reducir el costo
global (obra civil + equipos), y en particular reducir el volumen
de obra civil, se han concebido un cierto nmero de configuraciones
que han llegado a ser consideradas como clsicas. Los criterios de
seleccin son bien conocidos: Horquilla de caudales a turbinar
Altura de salto Naturaleza del terreno Criterios medioambientales
(fundamentalmente impacto visual y sonoro) Costo de la mano de obra
Las configuraciones se diferencian en como el flujo atraviesa la
turbina (radial o axial), en el sistema de cierre del paso de agua
(compuerta, distribuidor o sifn) y en el tipo de multiplicador
(engranajes paralelos, reenvo en ngulo, engranajes
epicicloidales).
Configuraciones con turbina KaplanLos cierres de sifn son
fiables, econmicos y, dada su velocidad de cierre, impiden el
embalamiento de la turbina, pero son muy ruidosos a no ser que se
aslen la bomba de vaco y las vlvulas de maniobra. Aun cuando no sea
imprescindible, se recomienda intercalar una vlvula de cierre para
impedir el arranque imprevisto de la turbina, como consecuencia de
fuertes variaciones en los niveles aguas abajo y aguas arriba. Si
sucediera as, la turbina alcanzara velocidades muy altas y el
operario no tendra forma de pararla. La solucin ideal desde el
punto de vista de impacto visual y snico es la de una casa de
mquinas enterrada o semienterrada que solo es factible con una
configuracin de turbina en S, turbina inclinada con reenvo a 90 o
turbina en pozo. La solucin con reenvo a 90, permite utilizar un
generador a 1500 rpm, standard, barato y poco voluminoso, empleando
un multiplicador de doble etapa - reductor planetario y cnico - en
el que la velocidad relativamente elevada del eje, a la entrada del
segundo, facilita el diseo de los piones cnicos.La solucin en S es
muy popular aunque presenta el inconveniente de que el eje de la
turbina tiene que atravesar el conducto de salida - o de entrada si
la S se presenta invertida. - lo que provoca una prdida de carga en
absoluto despreciable, como prueba un estudio reciente, segn el
cual en un aprovechamiento con un salto de 4 m y un caudal nominal
de 24 m3/seg, la configuracin con reenvo a 90 tiene un rendimiento
global, entre un 3% y un 5% superior al de la configuracin en S.
Adems, los volmenes, tanto de excavacin como de hormign son muy
inferiores en la configuracin con reenvo a 90 que en la
configuracin en S.
turbinas Kaplan en sifn[7]La configuracin en pozo presenta la
ventaja de que los principales rganos mecnicos son fcilmente
accesibles, con lo que se facilita la inspeccin y el mantenimiento,
especialmente en lo que respecta al acoplamiento turbina
multiplicador, multiplicador propiamente dicho y generador. Al
tener un mayor caudal especfico (un 30% ms que las Kaplan de eje
vertical) la turbina es ms pequea y la obra civil ms sencilla.
Una turbina Kaplan montada en el extremo de un sifn[7]Las
turbinas Kaplan, por las mismas razones que las Francis, necesitan
tener un tubo de aspiracin. Como se emplean en saltos de poca
altura, las prdidas de energa cintica son relativamente ms
importantes, por lo que es necesario cuidar su diseo.Velocidad
especfica y semejanza La gran mayora de las estructuras hidrulicas
- aliviaderos, disipadores de energa a la salida de un embalse,
tomas de agua, etc.- se proyectan hoy en da sobre la base de
ensayos realizados con modelos a escala reducida. El comportamiento
de estos modelos se fundamenta en la teora de la similitud
hidrulica, que incluye el anlisis de la interrelacin de las
diversas magnitudes fsicas que intervienen en el comportamiento
dinmico del agua sobre la estructura, ms conocido como anlisis
dimensional. El diseo de turbinas hidrulicas no constituye una
excepcin y los fabricantes de equipos tambin utilizan modelos a
escala reducida. La pregunta que se plantea es la de si, conociendo
como funciona un cierto tipo de mquinas bajo determinados parmetros
hidrulicos, se puede saber cmo funcionar esa misma mquina, u otra
geomtricamente semejante, cuando opera bajo otros parmetros
hidrulicos diferentes. Si podemos contestar a esta pregunta, la
teora de la similitud nos proporcionar un criterio cientfico con el
que catalogar las turbinas, de gran utilidad en el proceso de
seleccin de la turbina que mejor se adapta a las condiciones del
aprovechamiento que proyectamos. La contestacin es positiva si el
modelo y el prototipo son geomtricamente semejantes. Para que sean
geomtricamente semejantes, el modelo tiene que ser una reduccin a
escala de la turbina industrial, manteniendo una constante de
reduccin fija para todas las longitudes homogneas. Si el
coeficiente de reduccin de longitud es k, el. De superficie deber
ser k2 y el de volumen k3. Es conveniente insistir en que el modelo
y los ensayos de laboratorio constituyen la nica va para garantizar
el rendimiento y comportamiento hidrulico de la turbina industrial.
Todas las reglas de semejanza estn estrictamente definidas en las
normas internacionales IEC 60193 y 60041. No se puede aceptar
ninguna garanta si no se cumplen estas normas y estas reglas. La
velocidad especfica de una turbina se define como la velocidad de
una turbina homologa, de un tamao tal que, con una unidad de salto
produce una unidad de potencia. De acuerdo con la anterior
definicin y las citadas normas, la velocidad especfica de una
turbina viene dada por la formula
En donde: Q = caudal (m3/s) E = energa hidrulica especfica de la
maquina [J/kg] n = velocidad rotacional de la turbina [rps] QE no
es un parmetro adimensional. Cuando se calcula en unidades SI, la
velocidad especfica s viene dada por la frmula:
En donde n velocidad en rpm, P potencia en kW y H altura de
salto neta en metros.
Algunos autores empleaban como velocidad especfica la Q en
funcin del caudal y de la altura neta de salto:
Su factor de conversin con QE es Q=333*QE
Perfil de los rodetes en funcin de su velocidad especfica[8]En
la figura 38 se representan cuatro diseos de rodetes de turbinas de
reaccin, y su correspondiente velocidad especfica, optimizados
desde el punto de vista del rendimiento. Se ve que, para adaptarse
al salto del aprovechamiento, el rodete evoluciona con la velocidad
especfica. Al evolucionar el rodete con la velocidad especfica,
llega un momento en el que la llanta que une el borde inferior de
los alabes produce un rozamiento excesivo, y para evitarla los
alabes se construyen en voladizo, dando lugar a las turbinas
Kaplan, Hlice y Bulbo, utilizadas en saltos de baja altura. En
general, los fabricantes de turbinas dan la velocidad especfica de
sus turbinas. Un gran nmero de estudios estadsticos, realizados
sobre turbinas en funcionamiento, han permitido relacionar la
velocidad especfica con la altura de salto neto, en cada tipo de
turbina. La figura 39 y la figura 40 nos muestran esa correlacin
para cinco tipos distintos de turbinas.
Correlacin entre velocidad especfica y altura de salto
neto[8]
Correlacin entre altura de salto neta Hn y velocidad especfica
Q[8]La figura 41, muestra las velocidades especficas tpicas de
cuatro tipos de turbinas.
Rango de velocidades especficas para cada tipo de turbina[8]La
velocidad especfica en las turbinas Pelton aumenta con la raz
cuadrada del nmero de toberas. As la velocidad especfica de una
Pelton de cuatro toberas (es raro encontrar en las PCH turbinas
Pelton de ms de cuatro toberas) es el doble del de una turbina de
una tobera. Las leyes de semejanza incluyen la exigencia de que
ambas turbinas tengan el mismo coeficiente volumtrico, para lo que
la turbina industrial y el modelo deber cumplir con las siguientes
ecuaciones:
En las que el sufijo t corresponde a la turbina industrial y el
m al modelo de laboratorio. El ejemplo siguiente ilustra el uso de
estas leyes de semejanza. Si construimos un modelo, a escala 1:5,
de una turbina destinada a trabajar con un salto neto de 80 m y un
caudal de 10 m3/s, girando a 750 rpm, y lo ensayamos con un salto
neto de 10 m, tendremos que utilizar un caudal de 0,141 m3/s y su
velocidad de giro 1,326 rpm. Por las mismas leyes, una turbina
diseada para trabajar con un salto neto de 120 m y un caudal de 1
m3/s, instalada en un salto de 100 m de altura neta, al ser Dt = Dm
admitir caudal mximo de 0,913 m3/s y deber girar a 685 rpm.Diseo
preliminar En este captulo se dan frmulas para calcular las
principales dimensiones de un rotor en los casos de turbinas
Pelton, Francis y Kaplan. Conviene recordar que el diseo de una
turbina es el resultado de un proceso iterativo en el que se tienen
en cuenta mltiples criterios: lmites de cavitacin, velocidad de
rotacin, velocidad especfica, altura de salto etc. (ver captulo
6.1.4). Esto implica que, una vez acabado el diseo preliminar es
necesario comprobar que este cumpla con todos los criterios
mencionados. El primer paso del diseo, sea cual sea el tipo de
turbina, Esla eleccin de la velocidad de rotacin.Turbinas Pelton
Conocida a priori la velocidad n de giro del rotor, su dimetro se
deducir de las siguientes ecuaciones:
En donde n es la velocidad de rotacin en rps y nch es el nmero
de toberas. D1 se define como el dimetro del crculo que describe la
lnea del eje de las toberas. B2 es la anchura de la cazoleta, que
es funcin del caudal y del nmero de toberas y De es el dimetro de
la tobera.En general la relacin D1/B2 es siempre superior a 2,7. Si
no fuese as habra que recalcular las ecuaciones con menor velocidad
de rotacin o con mayor nmero de toberas. El caudal es funcin de la
apertura de la tobera Cp si tiene una sola tobera ser el caudal
total y se puede estimar por la siguiente formula:
Se da el valor Kv para cada valor de la apertura relativa a =
Cp/Dc[8]Turbinas Francis Las turbinas Francis cubren un amplio
espectro de velocidades especficas, desde 0,05 para las lentas de
gran altura de salto hasta 0,33 para las de baja altura de salto.
La figura 43 muestra la seccin transversal de un rodete Francis en
la que se indican los dimetros de referencia D1, D2 y D3.
Seccin transversal de un rodete Francis[8]Los trabajos de Siervo
y Leva y de Lugaresi y Massa, basados en el estudio estadstico de
ms de doscientas turbinas en funcionamiento, hacen posible el
realizar un diseo preliminar de la turbina Francis. Como sucede con
todos los trabajos estadsticos, sus resultados no permiten un diseo
final, especialmente en lo que respecta al criterio de cavitacinEl
dimetro de salida D3 se calcula en principio con la formula
El dimetro D1 se calcula con la formula
El dimetro de entrada D2 viene dado, para QE > 0,164 por
Para QE < 0,164 se puede admitir que D1 = D2
Turbinas Kaplan Las turbinas Kaplan tienen velocidades
especficas mucho ms altas que las Pelton y las Kaplan.
Seccin transversal de una Kaplan[8]En la fase preliminar del
proyecto, el dimetro exterior De puede calcularse con la
formula
El dimetro Di del eje del rodete se calcula por la frmula:
Seleccin de turbinas Criterios para la seleccin de la turbina.
El tipo, geometra y dimensiones de la turbina estn condicionados,
fundamentalmente, por los siguientes criterios: Altura de salto
neta Horquilla de caudales a turbinar Velocidad de rotacin
Problemas de cavitacin Velocidad de embalamiento Costo El salto
bruto es la distancia vertical, medida entre los niveles de la
lmina de agua en la toma y en el canal de descarga, en las turbinas
de reaccin, o el eje de toberas en las de turbinas de accin.
Conocido el salto bruto, para calcular el neto, basta deducir las
prdidas de carga, a lo largo de su recorrido. En la figura 45 se
especifica, para cada tipo de turbina, la horquilla de valores de
salto neto dentro con la que puede trabajar. Obsrvese que hay
evidentes solapamientos, de modo que para una determinada altura de
salto pueden emplearse varios tipos de turbina.
horquilla de salto en metrosUn valor aislado del caudal no tiene
ninguna significacin. Lo que interesa es el rgimen de caudales
representado por la curva de caudales clasificados (CCC) obtenida
de los datos procedentes de la estacin de aforos o de los estudios
hidrolgicos. No todo el caudal representado en una CCC puede
utilizarse para producir energa elctrica. Fundamentalmente hay que
descartar el caudal ecolgico que tiene que transitar todo el ao por
el cauce cortocircuitado. El caudal de diseo y el salto neto
determinan el tipo de turbinas utilizables en el sitio escogido:
aquellas en las que el punto representado por el salto y el caudal
cae dentro de su envolvente operacional. La figura 47 se ha
elaborado integrando los datos de varios fabricantes europeos.
Cualquier turbina dentro de cuya envolvente caiga dicho punto, podr
ser utilizada en el aprovechamiento en cuestin. La eleccin final
ser el resultado de un proceso iterativo, que balancee la produccin
anual de energa, el costo de adquisicin y mantenimiento de la
turbina, y su fiabilidad. Como una turbina solo puede admitir
caudales comprendidos entre el mximo y el mnimo tcnico por debajo
del cual su funcionamiento es inestable puede resultar ventajoso
utilizar varias turbinas pequeas en sustitucin de una ms grande.
Las turbinas se arrancaran secuencialmente, de tal forma que todas
ellas salvo una, trabajaran a plena carga, con un rendimiento
ptimo. Utilizando dos o tres turbinas pequeas, su peso y volumen
unitarios sern ms pequeos y por ende ms fcil de transportar y
montar. Dividiendo el caudal entre dos o ms turbinas, estas
trabajarn a mayor velocidad con lo que puede ser posible prescindir
del multiplicador. Por otra parte, en el espectro de saltos de
altura media con fuertes variaciones de caudal, una Pelton de
varias toberas, con una velocidad de rotacin baja, puede resultar
ms econmica que una Francis, Un argumento semejante puede
utilizarse, en saltos de baja altura, a la Kaplan y la Francis. La
eleccin final entre una o ms unidades o entre un tipo de turbina u
otro, ser el resultado de un clculo iterativo que tenga en cuenta
el coste de inversin y la produccin anual.
Sensibilidad a variaciones de salto y caudal[8]
Envolvente operativa de 3 tipos de turbinas[9]Para
preseleccionar el tipo de turbina a instalar en una minicentral, se
utilizan unos bacos que suelen facilitar los fabricantes de
turbinas. Con ellos, se determina el tipo de turbina a partir de
los parmetros de salto y caudal. Tal y como puede verse en la
figura 48, entrando en abscisas con el salto en m y en ordenadas en
el caudal de agua en m3/s, se obtendra el tipo de turbina ms
adecuado para la instalacin.
baco de seleccin del tipo de turbina.[9]No obstante, para elegir
la turbina definitiva garantizando la mxima rentabilidad de la
minicentral, se debern tener en cuenta la curva de caudales
clasificados, imprescindible para determinar el caudal de
equipamiento, y la infraestructura existente del
aprovechamiento.Seleccin de turbinas por la potencia, caudal,
velocidad de rotacin y salto.
Tabla 1 Tipos de turbinas y sus rangos de trabajo.[9]
Tabla 1.1: Tipo de turbinas en funcin de la velocidad
especfica.[9]Velocidad especfica La velocidad especfica constituye
un excelente criterio de seleccin, ms preciso sin duda que el ms
convencional y conocido de las envolventes operacionales que
acabamos de mencionar. Por ejemplo, si queremos generar energa
elctrica en un aprovechamiento con un salto neto de 100 metros,
utilizando una turbina de 800 kW directamente acoplada a un
generador estndar de 1500 rpm, empezaremos por calcular la
velocidad especfica, segn la ecuacin 6.5 y obtenemos QE = 0,135Con
esta velocidad especfica, la nica eleccin posible es una turbina
Francis. Si, por el contrario admitimos la instalacin de un
multiplicador con una relacin de hasta 1:3, la turbina podra girar
entre 500 y 1.500 rpm, con lo que su velocidad especfica podra
situarse entre 0.045 y 0,135 rpm. De esta forma la eleccin podra
recaer, adems de en la Francis, en una turbina Turgo, una turbina
de flujo cruzado o una Pelton de dos toberas. Si queremos instalar
una turbina directamente acoplada a un generador de 1.000 rpm, en
un salto de 400 m y disponemos de un caudal de 0,42 m3/s,
comenzaremos calculando la velocidad especfica; QE = 0,022. Con
estos parmetros la eleccin recaera en una Pelton de una tobera, con
un dimetro D1=0,846 m de acuerdo con la ecuacin. Si el caudal
variase sustancialmente a lo largo del ao, podra escogerse una
Pelton de dos o ms toberas, que es menos sensible las variaciones
del caudal. Como se indic ms arriba, la turbina Pelton viene
definida por la relacin D1/B2 ms que por la velocidad especfica.
Para ello resulta necesario efectuar ensayos con modelos a escala
en laboratorio. Cavitacin Cuando la presin ejercida sobre un lquido
en movimiento, desciende por debajo de su presin de vaporizacin,
ste se evapora formando gran nmero de pequeas burbujas, que al ser
arrastradas a zonas de mayor presin, terminan por estallar. La
formacin de estas burbujas y su subsiguiente estallido, es lo que
constituye la cavitacin. La experiencia demuestra que el estallido
de esas burbujas genera impulsos de presin muy elevados, que van
acompaados de fuertes ruidos (una turbina en cavitacin suena como
si a travs de ella pasasen montones de grava), y que la accin
repetitiva de esos impulsos produce una especie de corrosin difusa,
formando picaduras en el metal (.pitting.). Con el tiempo esas
picaduras, degeneran en verdaderas grietas con arrancamiento de
metal. Las elevadas temperaturas generadas por esos impulsos y la
presencia frecuente de gases ricos en oxgeno, agravan la corrosin.
Un alabe sometido a cavitacin aparece al cabo de cierto tiempo
lleno de cavidades, lo que obliga a sustituirlo o, si an se est a
tiempo, a repararlo recargndolo por soldadura. Para evitarla habr
que realizar ensayos de laboratorio, para definir el perfil
correcto de los alabes y determinar el campo de operatividad de la
turbina. La cavitacin viene caracterizada por un coeficiente
(coeficiente de Thoma), definido segn la norma IEC 60193 como:
En la que NPSE, energa neta de succin positiva, est definida
como:
En la que:
Para evitar la cavitacin, la turbina debe instalarse a una
altura al menos igual a HS definida por la ecuacin:
Un valor positivo de HS significa que el rotor de la turbina
estar situado por encima del nivel del agua en el canal de retorno
y uno negativo que est situado bajo el agua. Como primera
aproximacin se puede considerar que V = 2 m/s. El sigma de una
turbina es una funcin de su velocidad especfica y el proyectista
deber solicitarla del fabricante, que la obtendr a partir de
ensayos en laboratorio con modelos reducidos. De todos modos, De
Servio y Lugaresi, basndose en los citados estudios estadsticos,
establecieron para las turbinas Francis y Kaplan, la siguiente
correlacin entre y velocidad especfica:
Conviene subrayar que la altura de instalacin vara sensiblemente
con la altitud de la central, desde aproximadamente 1,01 bar al
nivel del mar hasta 0,65 bar a 3.000 m sobre el nivel del mar. As
una turbina Francis con una velocidad especfica de 0,150,
trabajando en un salto de 100 m de altura neta (con una = 0,090),
con la central a nivel del mar, requerir una altura HS:
Mientras que si la central estuviera situada a 1.000 m de
altitud HS sera:
Lo que exigira una excavacin.Velocidad de rotacin La velocidad
de rotacin de una turbina es funcin de su velocidad especfica, de
su potencia y de la altura del aprovechamiento. En los pequeos
aprovechamientos suelen emplearse generadores estndar, por lo que
hay que seleccionar la turbina de forma que, bien sea acoplada
directamente o a travs de un multiplicador, se alcance una
velocidad de sincronismo.Velocidad de embalamiento. Cuando,
trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece sbitamente la
carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en
la excitacin del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta
alcanzar lo que se conoce como velocidad de embalamiento. Esa
velocidad vara con el tipo de turbina, el ngulo de apertura del
distribuidor y la altura de salto. La fig.51 Muestra la relacin
entre la velocidad de embalamiento y la normal de rotacin.
Relacin entre velocidad de rotacin y de embalamientoRendimiento
de las turbinas El rendimiento que garantizan los fabricantes de
turbinas, est basado en el International Code for the field
acceptance tests of hydraulic turbines (publicacin IEC-60041) o,
cuando es aplicable, en el International Code for model acceptance
tests (publicacin IEC-60193). El rendimiento se define como la
relacin entre la potencia mecnica transmitida al eje de la turbina
y la potencia hidrulica correspondiente al caudal y salto
nominales, tal como se define en la ecuacin:
Mantenimiento El 70% de las averas son debidas a la deterioracin
o a la deficiencia en el circuito del lubrificante: con frecuencia
los filtros se atascan o entra agua en el circuito de lubricacin
Por lo general los programas de mantenimiento se elaboran, ya sea
prefijando los periodos de tiempo para cambio de filtros y de
lubrificante, ya sea analizando peridicamente el lubrificante para
mantener las condiciones especificadas. Esta ltima solucin es la ms
recomendable. Los multiplicadores de engranajes aumentan
considerablemente el nivel de ruido en la casa de mquinas y como
hemos visto requieren un mantenimiento cuidadoso. La prdida de
rendimiento por friccin puede alcanzar e incluso superar el 2% de
la potencia, por lo que se buscan incansablemente soluciones
alternativas, como la utilizacin de generadores de baja velocidad,
conectados directamente a la turbina.Elementos de proteccin y
control Regulacin de tensin y sincronizacin. Generadores asncronos
Un generador asncrono necesita, para asegurar su magnetizacin,
tomar una cierta potencia reactiva de la red. La red es tambin la
que marca la frecuencia, y el generador aumenta su deslizamiento a
medida que aumenta la potencia suministrada por la turbina. El
generador asncrono presenta la ventaja adicional de no necesitar
excitatriz, lo que simplifica el equipo y facilita las maniobras
secuenciales de arranque. Para ello se acta sobre la admisin de la
turbina, acelerndola ligeramente por encima de su velocidad de
sincronismo, momento en el que un sensor de velocidad da la orden
de cierre del interruptor de lnea. El generador pasa rpidamente de
la velocidad de hipersincronismo, a la necesaria para que se
igualen los pares motor y resistente en la zona de funcionamiento
estable. Generadores sncronos El generador sncrono se arranca en
vaco, actuando sobre la admisin de la turbina para aumentar
gradualmente la velocidad. El generador se sincroniza con la red
igualando previamente, en la mquina y en la red, las tensiones
eficaces, las frecuencias, los desfases y el sentido de rotacin.
Cuando el generador alcanza una velocidad prxima al sincronismo, se
arranca la excitacin y se regula para que la tensin entre bornes
sea igual a la tensin entre barras. En generadores acoplados a una
red aislada, el regulador debe mantener un valor predeterminado de
la tensin sea cual sea la carga. Si est acoplado a una red
importante, el regulador mantendr el valor preajustado de la
potencia reactiva.Control de la turbina Las turbinas se disean para
una altura de salto y un caudal predeterminados. Cualquier variacin
de estos parmetros debe compensarse abriendo o cerrando los
dispositivos de control del caudal, tales como alabes directrices,
vlvulas o compuertas, a fin de mantener constante, ya sea la
potencia de salida a la red, el nivel de la lmina de agua en la
toma o el caudal que atraviesa la turbina. En aprovechamientos que
suministran energa a una red aislada, el parmetro a controlar es la
velocidad del rodete, relacionado directamente con la frecuencia.
En principio existen dos enfoques para regular la velocidad de
estos grupos: variar el caudal de entrada a la turbina o disipar el
exceso de potencia elctrica en bancos de resistencias. Al aumentar
la demanda de energa, el generador se sobrecarga y frena la
turbina. En el primer enfoque, la regulacin de la velocidad
(frecuencia) se logra variando el caudal que entra a la turbina. Un
sensor, mecnico o electrnico, detecta la variacin de velocidad y
manda a un servomotor que modifique la apertura de los alabes del
distribuidor (y eventualmente del rodete) de forma que admita ms
agua, y por ende ms potencia hidrulica, a fin de que la turbina
pueda satisfacer el incremento de la demanda. Del mismo modo, al
disminuir la carga la turbina se acelera y el sensor enva una seal
de signo contrario para cerrar los alabes del distribuidor. Estos
aparatos se conocen bajo el nombre de reguladores de velocidad. En
el segundo enfoque la turbina funciona con caudal constante y
genera una potencia elctrica constante. Si el sistema demanda menos
energa, la turbina tiende a embalarse; un sensor electrnico detecta
el aumento de frecuencia y un dispositivo, conocido como
controlador de carga, procede a disipar el exceso de energa en un
banco de resistencias, manteniendo constante la demanda. Los
reguladores que trabajan con arreglo al primer enfoque se
construyen para toda la gama de potencias. Inicialmente fueron
concebidos para grandes turbinas y luego rediseados para las
turbinas pequeas. Los que trabajan con el segundo enfoque raramente
sobrepasan el techo de los 100 kW. Reguladores de velocidad. Un
regulador de velocidad consta en esencia de un sensor que detecta
cualquier desviacin de la velocidad con respecto al punto de
consigna y un dispositivo que amplifica la seal transmitida por el
sensor, para que ordene a un servomotor que accione los mecanismos
que controlan el paso del agua a la turbina, manteniendo constante
la velocidad y por tanto la frecuencia. En una turbina Francis, en
la que se puede cortar el paso del agua cerrando los alabes del
distribuidor, los mecanismos del servomotor tienen que ser muy
robustos, para poder vencer la reaccin del agua y los rozamientos
mecnicos en los ejes, y para mantener cerrados los alabes del
distribuidor. Los reguladores pueden ser mecnicos,
mecano-hidrulicos o electro-hidrulicos, segn la precisin y
sofisticacin que se desee. Los mecnicos solo se utilizan en
turbinas de algunos kilovatios de potencia, utilizando un centrfugo
de bolas pesadas, que actan directamente sobre el distribuidor. En
los mecano-hidrulicos (figura 52.), se utiliza un centrfugo de
bolas convencional actuando sobre un servomotor. Cuando, al
aumentar la carga, la velocidad de la turbina disminuye, las bolas
giran ms despacio y caen, desplazando la posicin del pistn en la
vlvula piloto, para enviar el aceite a presin a la cmara superior
del cilindro. El pistn desplaza una varilla que acta sobre el
mecanismo de los alabes del distribuidor, aumentando o reduciendo
la velocidad de la turbina
regulador de bolas y servomotor[9]En un regulador
electro-hidrulico, un sensor electrnico, mide permanentemente la
frecuencia (y eventualmente la tensin) y transmite la seal a un
sumidero en el que se la compara con el valor de consigna. Si la
seal transmitida por el sensor difiere de la de consigna, el
sumidero emite una seal de error (positiva o negativa), que una vez
amplificada es enviada al servomotor para que acte en el sentido
deseado. El servomotor es un cilindro hidrulico cuyo mbolo, segn
sea el tipo de turbina, est conectado mecnicamente a los alabes
directrices o al inyector, y es alimentado por una central
hidrulica (fig.53) compuesta por un depsito de aceite, una bomba
accionada por un motor elctrico que suministra aceite a presin al
sistema, un acumulador de aceite a presin y las vlvulas de control.
Todos estos mecanismos actan por accin y reaccin, corrigiendo en
uno u otro sentido la posicin del distribuidor, lo que provoca una
cierta inestabilidad en el grupo. En los sistemas mecano-hidrulicos
eso se corrige intercalando un amortiguador hidrulico que retarda
la apertura de la vlvula piloto. En los sistemas electro-hidrulicos
se llega a un grado de sofisticacin muy superior, de forma que la
correccin, que puede ser proporcional, integral o derivativa (PID),
da lugar a un mnimo de variacin en el proceso de regulacin.
central hidrulica para el servomotor[9]Un generador asncrono
conectado a una red elctrica estable no necesita controlador,
porque su frecuencia est determinada por la red. Sin embargo
cuando, por alguna causa, el generador se desconecta de la red, la
turbina se embala. Tanto el multiplicador como el generador deben
disear para que soporten este incremento de velocidad durante un
cierto tiempo, hasta que se cierre la vlvula de entrada a la
turbina, por los mecanismos de control correspondientes.Para
controlar la velocidad de la turbina regulando la admisin de agua,
se necesita que los componentes rotativos tengan una determinada
inercia. Esta inercia adicional se consigue acoplando un volante al
eje de la turbina. Cuando se abre el interruptor que conecta el
generador a la red, la potencia disponible acelera el volante, de
modo que al volver a conectar, la energa disponible en el volante
minimiza la variacin de velocidad. La ecuacin bsica del sistema
rotativo es la siguiente:
Donde
Cuando Tt es igual a TL, d/dt = O y = 0 por lo que la marcha es
estable. Cuando Tt es igual o menor que TL, no es constante y el
regulador tiene que intervenir para que la potencia de la turbina
iguale la carga del generador. Pero no debe olvidarse que el
control del caudal introduce un nuevo factor: las variaciones de
velocidad en la columna de agua formada por las conducciones
hidrulicas. El efecto de los componentes rotativos es estabilizador
mientras que el efecto de la columna de agua es desestabilizador.
El tiempo de arranque del sistema rotativo, tiempo requerido para
acelerar el equipo de cero a la velocidad de operacin viene dado
por:
Mientras que la inercia rotativa de la unidad viene dada por el
peso de los componentes que giran multiplicado por el radio de
giro: R2. P es la potencia instalada en kW y n la velocidad de la
turbina en rpm. El tiempo de arranque del agua, tiempo necesario
para acelerar la columna de agua desde cero a V, a una energa
especfica constante gH viene dada por:
Donde
Para conseguir una buena regulacin es necesario que tm/tv >
4. Los tiempos reales de arranque del agua no superan los 2,5
segundos. Si el tiempo es mayor, habr que pensar en modificar los
conductos de agua - ya sea disminuyendo la velocidad del agua o la
longitud de los conductos, o instalando una chimenea de equilibrio.
Tambin se podra aumentar la inercia de rotacin de la unidad,
aadiendo un volante de inercia.Equipos de sincronizacin y proteccin
elctrica. En todos los pases, los reglamentos para el suministro de
electricidad, obligan a las compaas distribuidoras a mantener,
entre lmites muy estrechos, la seguridad y la calidad de servicio.
El productor independiente, si su central est conectada a la red,
tiene que operarla de forma que la compaa distribuidora pueda
cumplir con esa obligacin. Para ello entre los terminales del
generador y la lnea de salida se instalan dispositivos, que
monitorizan el funcionamiento del equipo, protegen al generador, lo
conectan a la red o lo aslan de la misma en caso de avera. La
figura 54 muestra un esquema unifilar que cumple con los
reglamentos espaoles.
Esquema unifilar[9]La monitorizacin se lleva a cabo mediante
aparatos ms o menos sofisticados para medir la tensin, intensidad y
frecuencia en cada una de las tres fases, la energa producida por
el generador, su factor de potencia, y eventualmente el nivel de
agua en la cmara de carga. La tensin e intensidad de corriente se
monitorizan mediante transformadores de potencia (PTs) y de
corriente (CTs), para reducir su valor, generalmente muy elevado, a
niveles ms manejables. Para que los diferentes sistemas de
proteccin puedan cumplir su misin, se necesita un interruptor
principal, ya sea de aire comprimido, magntico o de vaco, capaz de
aislar el generador de la red, aun cuando est trabajando a plena
carga. Como elementos de proteccin se necesitan: Rels de proteccin
de la interconexin que garantizan la desconexin en el caso de un
fallo en la red. Rels de mnima tensin conectados entre fases. Rels
de mxima tensin Proteccin tierra-estator Mxima intensidad, con
actuacin temporizada e instantnea. Si el generador es de baja
tensin estos rels pueden ser directos y estar instalados en el
mismo interruptor. Retorno de energa Para detectar fallos en los
arrollamientos del estator, y actuar antes de que se quemen, se
utilizan rels diferenciales. Existen tambin rels que actan sobre el
interruptor principal cuando la temperatura del generador o del
transformador de salida sobrepasa los lmites aceptables, o en el
caso de tensiones superiores o inferiores a la normal. Entre las
protecciones mecnicas conviene incluir las siguientes:
embalsamiento de la turbina; sobre-temperatura en eje y cojinetes;
nivel y circulacin del circuito de refrigeracin (si es que existe);
nivel y circulacin del aceite a presin; nivel mnimo en la cmara de
carga. El productor independiente es responsable de los sistemas de
puesta a tierra de la instalacin, que deben ser diseados siguiendo
instrucciones de la compaa distribuidora. El sistema de puesta a
tierra vara con el nmero de unidades instaladas y con la
configuracin de la central y su sistema de operacin. Por razones
obvias, la central debe disponer de sistemas de contadores, para
medirla energa activa suministrada a la red y la reactiva absorbida
de la misma. Telecontrol La mayora de las pequeas centrales
trabajan sin personal permanente y funcionan mediante un sistema
automtico de control. Como no hay dos centrales iguales, resulta
casi imposible definir su configuracin ptima. No obstante, existen
requisitos de aplicacin general.1. Todo sistema debe contar con
dispositivos de control y medida de accionamiento manual para el
arranque, totalmente independientes del control automtico.2. El
sistema debe incluir los dispositivos necesarios para poder
detectar el funcionamiento defectuoso de cualquier componente
importante, y poder desconectar inmediatamente la central de la
red. 3. Tiene que haber un sistema de telemetra que recoja, en
permanencia, los datos esenciales para el funcionamiento de la
planta ponindolos al alcance del operador para que este pueda tomar
las decisiones convenientes. Esos datos debern ser almacenados en
una base de datos, para una ulterior evaluacin de la central. 4.
Debe incluir un sistema de control inteligente para que la central
pueda funcionar sin personal. 5. Debe ser posible acceder al
sistema de control desde un punto alejado de la central para poder
anular cualquier decisin tomada por el sistema inteligente. 6. El
sistema debe poder comunicar con las centrales situadas aguas
arriba y aguas abajo, si es que existen, para optimizar la operacin
del conjunto. 7. La anticipacin de fallos constituye una mejora
importante del sistema. Utilizando un sistema experto, en conjuncin
con una base de datos operacional, se pueden detectar los fallos
antes de que se produzcan y tomar las decisiones necesarias para
que no ocurran. El sistema debe configurarse por mdulos: un mdulo
de conversin analgico al digital para medir nivel de agua, ngulo de
los alabes distribuidores (y o del rodete), potencia instantnea,
temperaturas, etc.; un mdulo de conversin digital a analgico para
accionar las vlvulas del circuito hidrulico, los registradores
etc.; un mdulo para contar los kWh generados, el caudal, la
intensidad de precipitacin etc.; un mdulo inteligente de telemetra
con las interfaces de comunicacin, va lnea telefnica, radio etc.
Este enfoque modular se presta a satisfacer los diferentes
requisitos de cada central, permitiendo la normalizacin del
hardware y del software, reduciendo el costo y facilitando el
mantenimiento. Los sistemas de control automticos contribuyen a
aumentar la disponibilidad de la central, y a hacer trabajar las
turbinas con una mayor eficiencia, produciendo as ms kWh, con el
mismo volumen de agua. Con la generalizacin de los ordenadores
personales, los precios de estos equipos resultan inferiores a los
de los antiguos procesadores programables (PLC). La posibilidad de
utilizar nuevos componentes, como discos duros y una variedad de
perifricos la alimentacin en corriente continua procedente de las
bateras de la central; la variedad y fiabilidad de las tarjetas de
entrada y salida de datos; los dispositivos de vigilancia (.watch
dog.) del funcionamiento de la CPU, son otros tantos triunfos en
manos del proyectista que puede ensamblar a bajo precio el hardware
necesario, utilizando componentes estndar. El software se disea
tambin con criterio modular para que su adaptacin a cada planta
puede hacerse rpidamente y a bajo coste. La generalizacin de los
sistemas CAD permite dibujar con precisin un sinptico de la planta
y visualizar los diferentes componentes que intervienen en el
sistema. Los nuevos microprocesadores hacen posible el trabajo en
tiempo real para hacer frente a las alarmas y acontecimientos. Los
Nuevos lenguajes de programacin permiten programar fcilmente
secuencias lgicas como las de arranque y parada.Equipo elctrico
auxiliar Transformador de servicio: El consumo propio de la
central, incluidos los dispositivos mecnicos e hidrulicos y la
iluminacin, es del orden del 1 al 3 por ciento de su capacidad; las
micro centrales (menos de 500 kW) tienen un consumo porcentual ms
elevado. El transformador de servicio debe disearse pues, para esa
carga. Para alimentar ese transformador, en una central sin
personal permanente, hay que prever, si es posible, dos fuentes
exteriores de suministro diferentes, con intercambiador automtico
Suministro de corriente continua para el sistema de control: Las
centrales, sobre todo si estn operadas por control remoto,
necesitan un sistema permanente de corriente continua a 24 V
proporcionado por un banco de bateras. La capacidad del banco en
amperios hora debe ser suficiente para que en caso de corte de
corriente al cargador, el funcionamiento del sistema de control
quede asegurado, en tanto se toman las medidas pertinentes para
recuperar el suministro. Registro de niveles en la cmara de carga y
en el canal de descarga: En una central es absolutamente necesario
conocer en todo momento nivel de agua aguas arriba y aguas abajo de
la turbina. El mtodo ms sencillo utiliza una regla graduada en
metros y centmetros, al estilo de las miras topogrficas, que
alguien tiene que observar fsicamente para poder registrar las
lecturas. En una central sin personal este sistema es a todas luces
inadecuado. El sistema tradicional utiliza un flotador que registra
el nivel sobre una cinta de papel continuo, pero su lectura
posterior es engorrosa. Si la central tiene un sistema de control
automtico, lo ms lgico es utilizar para ese fin un dispositivo
equipado con transductores conectados al ordenador, que acumula las
lecturas en una base de datos y enva estos al programa para que
tome las medidas oportunas, entre las que se incluye la emisin de
una alarma cuando se considere necesaria una intervencin externa.
Actualmente se tienden a separar el sensor y el transductor. El
sensor se colocar all donde se quiere efectuar la medida, o en sus
cercanas, con lo que es fcil que est sujeto a condiciones muy
desfavorables y de difcil acceso. El transductor podr estar situado
en una zona segura y fcilmente accesible con lo que se facilita su
vigilancia y su mantenimiento. El sistema a utilizar en las medidas
de nivel viene condicionado a la precisin con que se quiere
efectuar la medida; en el caso de las pequeas centrales un sensor
piezoelctrico, con una precisin del 0,1% ser suficiente. La eleccin
del punto de medida resulta tambin particularmente crtico; la
colocacin del sensor en un punto donde puede haber variaciones
importantes de la velocidad de corriente dar lugar a resultados
errneos.Criterios de diseo de una central.Previo a la construccin
de la central, es necesario evaluar el recurso para ver si es
apropiado para una explotacin hidrulica eficaz. Para ello, en
primer lugar se realiza un estudio hidrolgico, y despus se evalan
las condiciones hidrulicas de operacin (caudal y salto).a) Estudio
hidrolgico: Este estudio es necesario para determinar la potencia
que se debe instalar en la central. Los datos se obtendrn de las
estaciones de aforo presentes en la demarcacin escogida. Se
recopilarn datos de caudales relativos a una cantidad suficiente de
aos hidrolgicos que servirn para hacer una clasificacin en aos muy
hmedos, hmedos, normales o medios, secos y muy secos. De esta forma
se podr identificar cul es el ao medio y pasar a la siguiente fase
del estudio hidrolgico. Con el ao medio se construye una nueva
curva a partir de los das en los que el caudal ha superado un
determinado valor.b) SaltoEl salto es la diferencia de nivel entre
la lmina de agua en la toma y el punto del ro en el que se
restituye el agua turbinada. En realidad, esta definicin
corresponde a lo que se denomina salto bruto (Hb). Adems del salto
bruto, se manejan otros dos conceptos de salto, el salto til (Hu) y
el salto neto (Hn). La figura 18 ilustra estos conceptos:
Esquema de un salto de agua.[10]Salto bruto (Hb): Diferencia de
altura entre la lmina de agua en la toma y el nivel del ro en el
punto de descarga del agua turbinada. Salto til (Hu): Diferencia
entre el nivel de la lmina de agua en la cmara de carga y el nivel
de desage de la turbina. Salto neto (Hn): Es el resultado de restar
al salto til (Hu) las prdidas de carga (H) originadas por el paso
del agua a travs de la embocadura de la cmara de carga y de la
tubera forzada y sus accesorios. El clculo de las prdidas de carga
se realiza mediante frmulas empricas ampliamente difundidas. Una
consideracin aceptable es suponer que la prdida de carga es del
orden de un 5% a un 10% del salto bruto. El salto bruto puede
estimarse en primera instancia a partir de un plano topogrfico. Sin
embargo, una determinacin ms exacta requiere un levantamiento
taquimtrico.c) caudal Una vez realizada la curva de caudales
clasificados para el ao de referencia, se procede a calcular el
caudal nominal de la mquina. Las turbinas operan entre un caudal de
equipamiento y un caudal mnimo tcnico, que se obtiene aplicando un
factor al caudal nominal que depende del tipo de turbina que se
vaya a instalar.
Coeficientes K para los distintos tipos de turbina
El caudal de equipamiento ser el que maximice el volumen
turbinado, es decir, el que junto con el caudal mnimo tcnico
encierre un mayor rea de la curva de caudales clasificados. La
altura del salto viene determinada por las caractersticas de la
presa y el lugar en el que se quiera instalar la central. Con los
datos de caudal y salto ya se puede calcular la potencia que es
capaz de generar la central.La curva de caudales clasificados
proporciona una valiosa informacin grfica sobre el volumen de agua
existente, el volumen turbinado y el volumen vertido por
servidumbre, mnimo tcnico o caudal ecolgico.Para elaborar esta
curva (representada en el grfico que acompaa este texto), hay que
calcular los siguientes parmetros:QM: Caudal mximo alcanzado en el
ao o caudal de crecida.Qm: Caudal mnimo del ao o estiaje.Qsr:
Caudal de servidumbre que es necesario dejar en el ro por su cauce
normal. Incluye el caudal ecolgico y el necesario para otros usos.
El caudal ecolgico lo fija el Organismo de cuenca, si no se
conociera, una primera estimacin es considerarlo igual al 10% del
caudal medio interanual.Qmt: Caudal mnimo tcnico. Es aquel
directamente proporcional al caudal de equipamiento con un factor
de proporcionalidad K que depende del tipo de turbina.Qmt = K *
Qe
Curva de caudales El caudal de equipamiento Qe se elegir de
forma que el volumen turbinado sea mximo, es decir, el rea
encerrada entre los puntos A, B, C, D, E, A sea mxima (ver
grfico).Otra forma de determinarlo es, una vez descontado el caudal
de servidumbre a la curva de caudales clasificados, se elige el
caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido
entre el Q80 y el Q100 , siendo el Q80 el caudal que circula por el
ro durante 80 das al ao y el Q100 el que circula durante 100 das al
ao.A veces no se elige el caudal que proporciona mayor produccin,
ya que hay que tener en cuenta otros factores como pueden ser: la
inversin necesaria, instalaciones ya existentes que condicionan el
caudal a derivar (por ejemplo, canales, tneles,etc.)d) potencia de
mini central La potencia elctrica terica que puede generar una
minicentral, viene dada por la expresin:P = 9,81 Q Hn donde:P:
Potencia instalada en kWQ: Caudal en m3/sHn: Salto neto en mLa
produccin de la minicentral puede estimarse, en una primera
aproximacin, multiplicando esta potencia por el nmero previsto de
horas de funcionamiento.Sin embargo la potencia a la salida de la
minicentral es igual a:P = 9,81 Q Hn eSiendo e = t g trDonde:e :
Factor de eficiencia de la minicentralt : Rendimiento de la
turbinag : Rendimiento del generadortr : Rendimiento del
transformadorLos rendimientos de las turbinas, generadores y
transformadores son facilitados por los fabricantes de los propios
equipos. En un primer estudio, sin embargo, puede tomarse como
factor de eficiencia de la minicentral un valor prximo a 0,8.e)
Instalaciones de obra civil La obra civil engloba las
infraestructuras e instalaciones necesarias para derivar, conducir
y restituir el agua turbinada, as como para albergar los equipos
electromecnicos y el sistema elctrico general y de control. Los
trabajos de construccin de una minicentral hidroelctrica son muy
reducidos en comparacin con las grandes centrales hidroelctricas, y
sus impactos sobre el medio ambiente pueden ser minimizados si se
desarrollan las medidas correctoras necesarias para ello. La obra
civil se compone de los siguientes elementos:Azudes y presas La
obra que se lleva a cabo para provocar una retencin en el cauce de
un ro puede ser de dos tipos: - Azud. Muro trasversal al curso del
ro, de poca altura, que provoca un remanso de agua sin producir una
elevacin notable del nivel. Su objetivo es desviar parte del caudal
del ro hacia la toma de la central. Aquella parte que no es
derivada vierte por el aliviadero y sigue su curso normal por el
ro. El azud puede construirse de hormign, ladrillos, escollera o
tierra. Resiste al empuje del agua por su propio peso, aunque en
los azudes de tierra y escollera se suele colocar un anclaje al
terreno con el fin de aumentar su estabilidad.
Tipos de azudes [10]- Presa. En este caso el muro que retiene el
agua tiene una altura considerable y provoca una elevacin notoria
del nivel del ro mediante la creacin de un embalse. En funcin del
tamao de ste se podrn regular las aportaciones. Hay varios tipos de
presas, segn la forma de resistir el empuje hidrosttico. Algunas,
como la presa de contrafuertes o la de bveda, requieren mayor
complejidad en su construccin y no suelen ser de aplicacin en las
minicentrales; no as los siguientes tipos: Presa de gravedad.
Aquella que contrarresta el empuje del agua con su propio peso, por
lo que se confa su estabilidad tambin en el esfuerzo del terreno
sobre el que se asienta. Dentro de este tipo y segn el material con
el que est hecha se distinguen en: Presa de gravedad de tierra o
escollera. Suelen tener una gran base y poca altura. No utilizan
hormign y estn constituidas normalmente por los materiales propios
del terreno donde se asientan. Se emplean en centrales grandes y
pequeas. Presa de gravedad propiamente dicha. Se construye de
hormign y el terreno que la sujeta tiene que ser muy consistente.
Presa en arco. En este caso el esfuerzo del empuje del agua se
transmite hacia las laderas del valle, de ah que su forma implique
cierta curvatura. La convexidad que forma la presa est vuelta hacia
el embalse. Suelen situarse en valles angostos con laderas rocosas
de buena calidad. Tambin para elevaciones de poca altura de la
lmina de agua, existe una tercera tipologa de azud o presa a
utilizar que sera: - Azudes y presas inflables. Consisten en un
tubo de material resistente y deformable relleno de agua o aire a
una presin determinada. El sistema de apoyo est constituido por una
base de hormign a la que se sujeta la parte inferior parcialmente
plana del tubo. Cuando el nivel de agua sube, sta se desborda
pasando por encima de la presa. El peso de la lmina acutica deforma
el material y el tubo se aplasta ligeramente, dejando que el agua
pase. Si el caudal contina aumentando, a determinada altura se abre
una vlvula y el tubo se vaca, quedando completamente aplastado por
el peso del agua sobre l. Cuando los caudales vuelvan a
normalizarse, el agua o aire se reinyecta y la presa recupera su
forma y funcionamientos normales.
Esquema de funcionamiento de una presa inflable[10]Aliviaderos,
compuertas y vlvulas Todas las centrales hidroelctricas disponen de
dispositivos que permiten el paso del agua desde el embalse hasta
el cauce del ro, aguas abajo, para evitar el peligro que podran
ocasionar las avenidas. stas pueden provocar una subida del nivel
del agua en el embalse que sobrepase el mximo permitido. En estos
casos es necesario poder evacuar el agua sobrante sin necesidad de
que pase por la central. Las compuertas y vlvulas son aquellos
elementos que permiten regular y controlar los niveles del embalse.
Existen distintas posibilidades de desage:- Los aliviaderos de
superficie pueden disponer de diferentes tipos de compuertas, que
permiten mantener totalmente cerrado el paso del agua, abierto
parcialmente o abierto total. Segn la tcnica que emplean se
distinguen:- Compuertas verticales. El elemento de cierre es un
tablero de chapa reforzado que se sube y baja verticalmente guiado
por unas ranuras en los pilares adyacentes. Cuando el empuje que
ejerce el agua embalsada sobre la compuerta es grande, las guas
sufren un fuerte rozamiento, en este caso se utilizan compuertas
vagn, cuyos bordes verticales estn provistos de ruedas con
rodamientos que apoyan en ambos carriles. - Compuertas de segmento
o compuertas Taintor. Consisten en una estructura metlica con una
superficie en forma cilndrica, que gira alrededor de un eje al que
est unido a travs de brazos radiales. La apertura se realiza con un
movimiento hacia arriba. - Compuertas de sector. Su forma es
similar a las compuertas segmento, pero difieren de stas en el
movimiento de apertura, que en este caso es de arriba hacia abajo,
dejando libre el paso para que el agua vierta por encima de la
compuerta. Esto implica un espacio vaco en el interior de la presa,
donde se guarda la compuerta cuando est abierto el paso del agua. -
Clapeta. Se denomina as a las compuertas basculantes alrededor de
un eje que vierten por arriba. En este caso tambin se necesita un
alojamiento horizontal para la compuerta cuando est abatida.Los
desages de fondo o medio fondo utilizan las vlvulas y las
compuertas como elementos de cierre. Las vlvulas se emplean en
instalaciones con caudales moderados o medios. Pueden ser de aguja,
mariposa, compuerta o de chorro hueco. La entrada de elementos
gruesos en estos conductos supone un problema, que se resuelve con
la colocacin de unas rejas protectoras en la entrada de la vlvula.
Estas rejas deben contar a su vez con un dispositivo limpiador que
las mantenga libres de cualquier obstruccin.Toma de agua Consiste
en la estructura que se realiza para desviar parte del agua del
cauce del ro y facilitar su entrada desde el azud o la presa. Su
diseo debe estar calculado para que las prdidas de carga producidas
sean mnimas. La toma n