CLASIFICACION DE LAS PLANTAS HIDROELECTRICAS

CENTRALES FILO DE AGUA:

Son centrales con embalses muy pequeños, prácticamente utilizan el agua necesaria en las turbinas para su potencia máxima, si llega un caudal superior por el río, es necesario botar el agua en exceso. Los embalses, en estas centrales permiten regulación del caudal horaria, diaria y en algunos casos semanal. En verano, prácticamente solo queda el flujo base. No se puede optimizar la generación. Trabajan muy bien cuando se encuentran interconectadas porque contribuyen con la optimización de las plantas con embalse de regulación.

CENTRALES CON EMBALSE DE REGULACION:

Son centrales con embalses de considerable capacidad; esto permite el almacenamiento de una cantidad apreciable de agua que se aprovecha posteriormente por la central en la forma más conveniente, permite optimizar la generación. Los embalses en estas centrales permiten la regulación del caudal mensual, anual y aun multianual.

CENTRALES DE GENERACION:

Su función única es la generación de energía eléctrica.

CENTRALES DE PROPOSITO MULTIPLE:

Adicional a la generación de energía eléctrica, cumplen con otros propósitos como el de control de la contaminación, acueducto, regulación de caudal aguas abajo, control de inundaciones, etc. (Salvajina)

PLANTAS AISLADAS:

(Desde el punto de vista hidráulico): Es la única central hidráulica montada en la cuenca de un río.

PLANTAS EN CASCADA:

Cuando sobre un mismo río se encuentran varias centrales.

CENTRALES EN CASCADA EN TANDEM:

Cuando el agua turbinada en la central aguas arriba (superior) sirve para generar en la central aguas abajo (inferior).

CENTRALES DE CAIDA CON CONDUCCION LARGA:

Cuando la casa de máquinas queda retirada del embalse, por lo tanto la central posee un túnel de conducción de varios kilómetros para llevar el agua hacia la casa de máquinas.

CENTRALES PIE DE PRESA:

Son aquellas en las cuales la casa de máquinas queda al pie de la presa, entonces no precisan de túnel de conducción sino que solo tienen penstock o tubería de presión. La casa de máquinas puede ser superficial (Salvajina) o subterránea (Calima).

FACTORES DE SERVICIO UTILIZADOS EN PLANTAS

FACTOR DE PLANTA:

Es una indicación de la utilización de la capacidad de la planta en el tiempo. Es el resultado de dividir la energía generada por la planta, en un periodo de tiempo dado (generalmente se toma anual), sobre la energía que hubiera podido generar la planta si lo hiciera a plena carga durante todo el período. Ejemplo:

Planta Alto Anchicayá, Potencia máxima 345 Mw

Energía que hubiera podido generar la planta en un año si lo hiciera a plena carga

= 345 Mw * 365 días/año * 24 horas/día = 3022200 Mwh/año = 3022.2 Gwh/año

Suponiendo que el Alto Anchicayá hubiera generado en ese año 1964430 Mwh Þ el factor de planta sería:

FP = 1964430 Mwh / 3022200 Mwh = 0.65 ® 65%

FACTOR DE CARGA:

Se define como el cociente de la potencia promedio durante un periodo de tiempo sobre la potencia pico presentada en ese mismo período de tiempo.

FC = Potencia Promedio / Potencia Pico

El factor de carga da una idea de la racionalidad en el uso de la capacidad instalada en un sistema. Un factor de carga alto (cercano a la unidad) indica un uso racional y eficiente de la capacidad instalada.

PARTES QUE CONFORMAN UNA CENTRAL HIDROELECTRICA

PRESA:

Es la estructura central de una planta.

Entre sus funciones están:

• Incrementar la caída

• Retener sedimentos que trae el flujo o el río.

• Almacenamiento de agua para lograr regulación o para poder generar en épocas de baja hidrología.

CONDUCCION:

Son los túneles y canales (en el caso de PCH´s), tubería de carga, empleados para llevar el agua hacia las turbinas.

CASA DE MAQUINAS:

Es el lugar en donde se encuentran los equipos encargados de realizar la transformación de la energía del agua en energía eléctrica. Generalmente se ubican en la casa de máquinas: Las turbinas, generadores, transformadores de potencia y equipos auxiliares de la planta.

PATIO DE CONEXIONES:

Se encuentran ubicados, en este sitio, los interruptores y seccionadores, el barraje, pararrayos, transformadores de corriente y potencial y las líneas de interconexión que salen de la planta, para conectarla al sistema nacional o a la carga.

ESTUDIOS PREVIOS PARA LA DETERMINACION DE LA CENTRAL

Con base en las proyecciones de demanda de energía y potencia, se identifica la necesidad de entrada en operación de nuevos proyectos de generación.

Se efectúan estudios de los recursos hídricos existentes en donde se delimitan las cuencas, áreas de drenaje, precipitaciones, medición de caudales, etc. Las cuencas se delimitan mediante estudios topográficos y de fotogeología. Con las áreas de drenaje se emplea la cartografía.

El flujo de agua es afectado por el clima. La cantidad de lluvia y la temperatura son importantes. Las características del suelo sobre el cual llueve antes de que se efectúe el drenaje hacia el cauce de agua, llamada área de drenaje, poseen una gran influencia. El tipo de suelo y su estructura es fundamental, la cantidad y variedad de vegetación y los patrones de uso del suelo tienen efecto sobre la proporción del agua lluvia que alcanza el cauce de agua (escorrentía).

La cantidad de agua perdida por la evapo-transpiración (efecto combinado de la evaporación directa y de la evaporación que sigue a la absorción hecha por las plantas) típicamente puede ser 1/3 de la lluvia que cae. En adición al conocimiento de la cantidad de agua que fluye, debemos saber cómo varía ésta a lo largo del mes, meses y años con anterioridad a la escogencia de una turbina y un generador para un sitio particular.

r = Rendimiento específico.

A = Area donde caen las lluvias que luego drenan hacia el cauce de agua.

Q= Caudal medio.

Precipitaciones:

Orográfica: Se presenta por barreras naturales, cordilleras, etc.

Convectiva: Acumulación de aire, convección de corrientes de aire. Es una lluvia local.

La lectura de las precipitaciones se efectúa con pluviómetros. El registro con Pluviógrafos.

Algunas formas de medición de la precipitación media son:

• Promedios:

• Thiessen:

MEDICION DE CAUDALES:

[m³/seg]. La sección del río para hacer la medición (aforo) debe ser estable desde el punto de vista geológico.

V0,2 ® 0,2 h

V0,6 ® 0,6 h

(V0,2 + V0,6 ) / 2 = V [m/seg]

qi = V * A [m/seg] [m²] ® [m³/seg]

Q1 = å qi (Caudal al nivel 1 )

Para hacer los aforos se usa un equipo tipo hélice llamado Molinete.

El operador del molinete utiliza la tarabita para situarse a lo largo de la sección del río y hacer la medición.

Teniendo los datos de caudales con las fechas en que se obtuvieron éstos, se puede realizar la gráfica de caudal vs tiempo; o sea, un hidrograma.

Con las series de caudales medios diarios y mensuales se puede evaluar la potencia y energía que se puede obtener vs la regulación.

La potencia se calcula así:

Potenciai = H * g * Qi * r * h turbogrupo

H es el salto o caída, que se escoge con base en los estudios anteriores de la cuenca, topográficos, aerofotografía, etc.

Si se selecciona la planta de generación con la potencia mínima entonces habría un desperdicio de agua (caudal sobrante) el cual sería factible de utilizar económicamente.

Si se selecciona la planta de generación con la potencia máxima entonces habría un desperdicio de capacidad instalada puesto que esta potencia solo se podría aprovechar por un corto período de tiempo. El costo sería supremamente alto y es muy probable que no hubiera factibilidad económica.

Uno de los criterios que se emplea es seleccionar el equipo correspondiente a cinco veces la potencia mínima o de estiaje.

Entonces:

Se obtiene la gráfica de distribución de frecuencias, con base en el hidrograma y en la aplicación de un paquete estadístico.

Frecuencia: Número de veces que se presenta un evento, en n repeticiones.

Se obtiene además la curva de duración de caudales o de frecuencia acumulada, la cual representa el porcentaje (%) del tiempo en el cual el caudal Q es igualado o excedido.

Teniendo los datos de caudales y la frecuencia con que se presentan, se ordenan los caudales de mayor a menor y se van sumando las frecuencias para obtener la acumulada, estos datos se grafican en caudal vs % de tiempo, ejemplo:

De 24 mediciones se obtuvieron los siguientes datos de caudales:

El caudal Q de:

10 m³/s se presentó 6 veces

2 m³/s se presentó 3 veces

5 m³/s se presentó 1 veces

7 m³/s se presentó 4 veces

9 m³/s se presentó 5 veces

3 m³/s se presentó 2 veces

6 m³/s se presentó 1 veces

1 m³/s se presentó 2 veces

Entonces:

24 ® 100 % del tiempo

FAi ® X

Otro de los criterios que se emplea para seleccionar el caudal de diseño (Qdiseño), es tomar, usualmente, el caudal que se presenta el 30 % - 35 % del tiempo, o sea que el 35 % del tiempo el caudal de diseño (Qdiseño) es igualado o excedido.

Volumen total del embalse = Volumen muerto + Volumen útil

El volumen muerto es función de la vida económica del proyecto es igual al volumen de sedimentos que llegan provenientes del río en un año, multiplicado por el número de años de vida del proyecto, es decir, es el volumen del embalse destinado para que se depositen los sedimentos. El volumen muerto generalmente lo determina un estudio de hidrología y de geología.

Volumen muerto = Mm³/año (de sedimentos) * Número de años.

El volumen útil es el que realmente se emplea para la generación de energía.

Teniendo el volumen total del embalse y la topografía del área, se puede estimar una altura de la presa y por lo tanto un orden de magnitud en el costo, es decir, se puede tener una primera aproximación al costo de las obras civiles. Entonces, al sumar a las anteriores el costo aproximado de los equipos, imprevistos, ingeniería y administración, se puede conocer un estimativo inicial del costo total del proyecto.

(Costo total / KW) ® Costo del KW instalado

KW ® Potencia que generaría la Central (capacidad a instalar).

Entonces, teniendo el costo total con los gastos anuales de administración, operación y mantenimiento (AO & M ); los ingresos por venta de energía y otros costos financieros, si los hay, se hace la evaluación económica preliminar para analizar la factibilidad del proyecto.

Usualmente se toma como parámetro evaluativo la tasa interna de retorno (TIR) con un valor esperado del 15 % en US$ dólares.

INSTRUMENTACION DE LA PRESA:

• Equipo para medición de asentamiento.

• Equipo para medición de niveles hidráulicos.

• Presión de poros ® piezómetros neumáticos.

• Desplazamientos horizontales ® Inclinómetros.

• Deformaciones ® Extensómetros lineales.

• Esfuerzos totales normales ® Celdas de presión.

• Equipo para medición de deformaciones en la cresta.

• Caudalímetros.

OBRAS DE DESVIACION

Se ejecutan previamente al período de construcción de la presa.

ATAGUIAS:

Son micropresas construidas con el fin de contener y desviar el caudal del río hacia el o los túneles de desviación.

Las ataguías: Aguas arriba (contener y desviar) y la de aguas abajo (evita que el agua del río se devuelva) se emplean para permitir secar y excavar el lecho del río donde se va a levantar la presa, hasta encontrar la roca adecuada geológicamente que permita cimentar la presa.

Para el diseño del túnel de desviación y de la altura de las ataguías es necesario tener en cuenta el período en que se va a construir la presa, condicionado a los caudales históricos y proyectados (futuros).

Se debe buscar construir la presa y por ende las obras de desviación durante el período de mínimos caudales o de baja hidrología.

Usualmente se toma un caudal con una probabilidad del 30 al 35 % de ser igualado o excedido.

Cuando los caudales a desviar son altos, se prefiere construir dos túneles de desviación.

OBRAS DE CAPTACION O BOCATOMAS

Con las obras de captación o toma se busca:

• Regular el caudal Q que llega a casa de máquinas.

• Garantizar la extracción con pérdidas de energía mínimas.

• Evitar la entrada de basuras.

• Evitar la sedimentación a la entrada.

Por disposición general:

• Captación a superficie libre:

- Presa derivadora

- Colectora con rejas y elementos auxiliares Q < 10 m³/s ® de fondo,

Q > 10 m³/s ® lateral

- Decantadero o sedimentadores

- Canal de conducción

- Estructura de puesta a presión o cámara de carga

• Galería o conducto a presión

• Pie de presa

La inclinación de la rejilla a la entrada de la bocatoma, de entre 70 - 80° se hace con el fin de facilitar la limpieza manual.

TUNEL DE CONDUCCION

El hecho del túnel ser revestido o no revestido, depende de las presiones, filtraciones y de la geología del lugar de la excavación.

EXCAVACION DE TUNELES

Hasta aproximadamente 1.950 se empleó el método convencional.

Perforación ® voladura ® retiro de material ® soportes + inyección

soportes: arco estructural, pernos.

Se puede excavar cualquier sección, cualquier tipo de roca.

Se pueden perforar hasta 13m/dia

METODO TUNEL BORING MACHINE

Se emplea un taladro gigantesco con una cabeza cortadora del tamaño del túnel.

Si no existe geología homogénea entonces es necesario ir cambiando la cabeza cortadora.

Solo se perforan túneles de sección circular.

Se pueden excavar túneles en:

- Roca blanda a una rata de 130 m/día

- Roca dura a una rata de 30 a 40 m/día

No ocasiona daños o efectos secundarios en capas del terreno.

OBRAS DE EXCEDENCIA

Son las que asocian con los vertederos y son protección del proyecto.

SELECCION DEL VERTEDERO:

INTERVIENEN

• El tamaño del embalse

• El tamaño de la creciente

SE DETERMINA

• Tipo

• Tamaño

• Ubicación de las compuertas

• Número de vertederos

UBICACION

• En los estribos: Presas de tierra y enrocado.

• Adosado a la presa: Presas de concreto.

LA CRECIENTE DE DISEÑO

Esta asociada con factores hidrológicos de la cuenca.

TIPOS DE VERTEDEROS:

• Creager Ogee o Canal Abierto con o sin compuertas.

• Creager Ogee con túnel vertedero.

• Embudo o Morning Glory.

• Sifón.

TUBERIA A PRESION (CARGA-PENSTOCK)

• Se recurre a varias tuberías si el Q es muy grande o existen varios grupos generadores instalados.

• Puede resultar económicamente factible emplear una sola tubería que se ramifica antes de llegar a las unidades.

Se clasifica en:

- Baja presión ® H £ 5 m

- Media presión ® 5 < H £ 100

- Alta presión ® H > 100m

- Revestibles

- No revestibles

En el diseño de la tubería de carga están involucrados aspectos como:

- Las posibilidades técnicas de fabricación

- Diámetro óptimo: Costo tubería, Pérdidas por fricción, etc.

- Abrasión del flujo: Material, revestimientos.

- Velocidad del agua

- Golpe de ariete (espesor del tubo): Velocidad, Tiempo de cierre distribuidor de la turbina.

En el Penstock la velocidad puede variar entre los 3 - 8 m/seg.

ALMENARA (CHIMENEA DE EQUILIBRIO O POZO PIEZOMETRICO)

Dispositivo de protección que tiene por objeto evitar la sobrepresión, debida al golpe de ariete en las conducciones forzadas, y al mismo tiempo sirve de deposito de alimentación de la tubería en caso de variaciones bruscas de la carga.

ALMENARA CON DOBLE CAMARA DE EXPANSION

Reducir la amplitud de las ondas de cierre y apertura brusca del distribuidor de la turbina.

ALMENARA DIFERENCIAL

Para limitar la onda de sobrepresión, tanto positiva como negativa. Presentan ventajas en cuanto a la estabilidad.

En las almenaras es fundamental la altura que adquiere el nivel del agua cuando se presentan las variaciones bruscas de carga. El nivel no debe descender de forma tal que quede al descubierto la tubería de carga, puesto que penetraría el aire ocasionando problemas delicados por la presencia de bolsas de aire.

La sección transversal de la almenara (F) es fundamental para prevenir el funcionamiento inestable del regulador a causa de las oscilaciones producidas.

Si F < Flimite oscilaciones regulador de velocidad se aumentan (amplifican)

Si F > Flimite oscilaciones regulador de velocidad se amortiguan.

DISPOSITIVOS DE CIERRE

VALVULAS DE MARIPOSA:

Empleadas en centrales con bajas caídas pero de gran caudal.

La pantalla es un disco que cierra la conducción de caudal y gira sobre un eje diametral.

Generalmente no requieren bypass; no ofrecen muchas veces un cierre hermético.

No se usan para regular caudal por las pérdidas que producen y por las vibraciones que se generan a consecuencia de las depresiones creadas dentro del disco.

VALVULAS ESFERICAS:

Empleadas en centrales con grandes caídas.

Las pérdidas en la tubería de presión debidas a esta válvula son mínimas y su cierre es estanco. Va provista de by-pass con el fin de nivelar presiones y facilitar la operación de la válvula. En pequeña escala puede ser usada para regular caudal. Es accionada por medio de servomotor.

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