Centrales

CENTRALES CAPÍTULO II CENTRALES HIDROELÉCTRICAS CENTRALES CAPÍTULO II CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

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CENTRALES CAPÍTULO II CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

CENTRALES CAPÍTULO II CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 1. 2.

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

12.

Saltos de agua y embalses Componentes de una central Hidroeléctrica. Estudio de costos. Calculo de la potencia de salto. Tipos de Turbinas Hidráulicas. Control de velocidad de turbinas. Dimensionamiento de turbinas Aplicaciones de turbinas. Generadores de potencia. Eficiencia de las centrales. Generación de reactivos. Ventajas y Desventajas Técnicas y ecológicas.

CENTRALES

CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Teorema de BERNOULLI.- El estudio de la dinámica de los fluidos (Hidrodinámica), realizada por Bernoulli, encontró una relación fundamental entre la presión, la altura y la velocidad de los fluidos.

El teorema demuestra que estas variables no pueden modificarse independientemente una de la otra, sino que están determinadas o relacionadas por la energía mecánica de todo el sistema.

CENTRALES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Teorema de BERNOULLI.-

En el punto 1 (sección A1 ), la fuerza que ejerce el chorro de agua en términos de presión P1 A1 . En el punto 2 (sección A2 ), será P2 A2 .

El trabajo (W), de llevar el fluido desde el punto 1 a 2, será: W = P1 V1 − P2 V2 Considerando que el fluido es ideal (no se comprime), el volumen (V) que pasa en un tiempo muy pequeño por el punto 1 y el punto 2, van a ser iguales, entonces:

W=P1 V − P2 V

CENTRALES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Teorema de BERNOULLI.-

En el punto 1 (sección A1 ), la fuerza que ejerce el chorro de agua en términos de presión P1 A1 . En el punto 2 (sección A2 ), será P2 A2 .

El trabajo (W), de llevar el fluido desde el punto 1 a 2, será: W = P1 V1 − P2 V2 Considerando que el fluido es ideal (no se comprime), el volumen (V) que pasa en un tiempo muy pequeño por el punto 1 y el punto 2, van a ser iguales, entonces:

W=P1 V − P2 V

CENTRALES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Teorema de BERNOULLI.Así, de acuerdo con el teorema de Bernoulli , la suma de las energías de un punto inicial, deberá ser igual a las energías obtenidas en la salida. Entonces matemáticamente tenemos lo siguiente:

CENTRALES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Teorema de BERNOULLI.-

1 2

1 2

P1 + ρ𝑣12 + ρ gℎ1 = P2 + ρ𝑣22 + ρ gℎ2 Siendo los puntos 1 y 2, cualquiera dentro de una tubería.

CENTRALES DATOS DE LA INVESTIGACIÓN.Ed = E1 -E2  Ed= Energía entregada por el agua entre dos puntos  E1= Energía total en el punto 1  E2: Energía total en el punto 2

Ejercicio: Se tiene una tubería de 1,5 m de diámetro en un punto a 400 m. sobre el nivel del mar, el agua posee una velocidad de 8,5 m/seg y una presión de 37 m. El agua sale de la turbina con una velocidad de 0,8 m/s y a presión atmosférica en un punto situado a 408 m sobre el nivel del mar. Hallar la energía que impacta a la turbina durante un segundo.

CENTRALES Componentes de una central de generación hidroeléctrica. En una Central Hidroeléctrica, sus principales elementos son los siguientes: • EMBALSE • PRESA

Presa Chimenea de equilibrio Embalse

• CANAL DE DERIVACION • CHIMENEA • TUBERIA DE PRESION

• TUBERÍA DE DESAGUE

Canal de derivación

DISPOSICION GENERAL DE LA CENTRAL HIDRAULICA

Grupo Turbina – Generador Transformador

Tubería de presión

Casa de máquinas

~

• CASA DE MAQUINAS Tubería de desagüe

CENTRALES Componentes de una central de generación. Los elementos de la disposición general de la central hidráulica son los siguientes: Embalse.- El lugar donde se almacena el agua.

Presa.- La construcción que sirve para almacenar el agua en el embalse. Canal de derivación.- Conduce el agua al lugar apropiado para la caída a través de la tubería de presión. Chimenea de equilibrio.- Sirve para amortiguar las sobrepresiones y baja-presiones en la tubería de presión que se originan por la aceleración y desaceleración del agua, como consecuencia de las variaciones de la carga.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Tubería de presión.- Conducción forzada del agua a las turbinas. Tubería de desagüe.- El agua que sale de las turbinas es conducida nuevamente al río. Casa de máquinas.- Lugar donde se instalan las turbinas, los generadores, el sistema auxiliar, transformador, etc.

CENTRALES Saltos de agua y embalses.Se entiende por salto de agua la distancia vertical (altura) recorrida por una masa de agua desde un nivel superior a otro inferior. Las alturas aprovechables en una central son: 𝐇𝐓 , 𝐇𝑩 , 𝐇𝑵 H1

Presa

H2+H3

Canal de derivación Chimenea

H4+H5+H6

HT Tubería de presión

HB ~

HN

Turbina

Embalse Tubería de aspiración

Tubería de desagüe

H7

CENTRALES Saltos de agua y embalses.La capacidad del embalse depende de la altura y del área inundada. Por lo tanto la altura aprovechable en una central es muy importante. Las alturas aprovechables son: HT = Altura total, corresponde a la diferencia de altura entre la cota máxima y la mínima del recurso, es decir la diferencia de altura entre el sitio donde se inicia el recurso y el lugar donde se realiza el desagüe. HB = Altura bruta, corresponde a la diferencia de nivel entre la superficie del agua en el embalse y la cota de descarga en la turbina(tubo de aspiración). HN = Altura neta, también llamada efectiva la altura que es utilizada para determinar la capacidad de la central hidráulica.

CENTRALES Potencia del recurso hidráulico.La potencia que se puede obtener de un recurso de agua es la siguiente: La potencia teórica del recurso es:

PT = 9,81 x Q x HB (KW) La potencia neta del recurso es:

PN = 9,81 x Q x 𝐇𝐍 (KW) Donde: Q = caudal de agua (𝑚3 /s) HB = altura bruta (m) 𝐇𝐍 = altura neta de diseño (m)

CENTRALES Potencia del recurso hidráulico.Ed = E1 -E2  Ed= Energía entregada por el agua entre dos puntos en (Kw)  E1= Energía total en el punto 1 en Kw  E2: Energía total en el punto 2 en Kw.

PT = 9,81 x Q x HB (KW) Ejercicio: Se tiene una tubería de 1,5 m de diámetro en un punto a 300 m. sobre el nivel del mar, el agua posee una velocidad de 8,5 m/seg y una presión de 37 m. El agua sale de la turbina con una velocidad de 0,8 m/s y a presión atmosférica en un punto situado a 308 m sobre el nivel del mar. Hallar la energía que impacta a la turbina durante un segundo.

CENTRALES Potencia del recurso hidráulico.La potencia instalada, o también llamada potencia útil de la central hidroeléctrica (depende de la eficiencia del equipamiento), puede ser obtenida a partir de:

CENTRALES Eficiencia de una central.No toda la potencia es aprovechable, pues existen perdidas debidas al transporte del agua y al rendimiento de las turbinas y generadores, etc. Por lo que para corregir el error se introduce un coeficiente de rendimiento estimado o factor de eficiencia, η. 𝑷𝒖𝒕𝒊𝒍 𝑷𝑵

η=

Ejemplo: Calcular la Potencia útil que genera una central hidroeléctrica a 𝑚3 𝑠

partir de un caudal medio de 10 y una altura neta de salto de 180 m, si el rendimiento o eficiencia estimado es del 65%.

CENTRALES Potencia del recurso hidráulico.Ejemplo: Cuál será el coeficiente de rendimiento estimado de una central que genera una potencia útil de 45 MW, a partir de un caudal de

50

𝑚3 𝑠

y una altura neta de salto de 120 m.

Ejemplo: El salto de agua utilizable de un embalse se encuentra sobre la cota 1963 m.s.n.m., se desea instalar una turbina hidráulica dentro de una casa de máquinas ubicada sobre la cota 1323 m.s.n.m., determine el tipo de turbina a utilizarse, y la potencia que esta desarrollaría, si el diseño hidráulico provee un flujo de agua sobre la turbina de 20 metros cúbicos cada segundo. La eficiencia de la turbina es de un 80%.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.- La presa es el primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica. Se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse. La presa es una estructura que actúa como barrera, interrumpiendo la libre circulación del agua de un río a través de su cauce normal. La finalidad es obtener una elevación del nivel de agua represada y crear un depósito de dimensiones adecuadas para almacenar y regular la utilización del fluido, constituyendo el verdadero Embalse. Con la construcción de una presa se consigue un determinado desnivel de agua, que es aprovechado para conseguir energía.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.La presa es un elemento esencial y su forma depende principalmente de las condiciones del terreno y del curso del agua donde se tiene que situar. Las presas se pueden clasificar: a) Según su aplicación a) Según los materiales utilizados en su construcción

a) Según su forma adoptada.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.a) Según su aplicación:

Presa de derivación.- Tiene como objetivo conseguir el salto de agua y derivar o desviar los caudales hacia la casa de máquina. Presa de embalse.- Su función es almacenar el agua, además de lograr el salto hidráulico.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.b) Según los materiales utilizados en su construcción Presa de tierra.Presa de roca.Presa de tierra y roca.Presa de concreto.Presa de concreto compactado con rodillo.Según su forma adoptada Presa de gravedad Presa de contrafuertes Presa de arco y de arcos múltiples. Presa de doble curvatura (bóveda) c)

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.- Según su forma adoptada • Presa de gravedad.- Es aquella que la fuerza ejercida por el agua

es vencida por la estabilidad y resistencia de su propio peso.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.- Según su forma adoptada • Presa de contrafuertes.- Es aquella constituida por una pared

que puede ser plana o curva, la misma que soporta el agua y una serie de refuerzos o pilares, los cuales a su vez soportan la pared y transmiten la fuerza del agua a la base de la presa.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.- Según su forma adoptada • Presa de arco.- Llamada también de simple curvatura, se las

ubica normalmente en los pasos estrechos o gargantas de los ríos. Su denominación en función del anchos de su base y la altura.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Presa.- Según su forma adoptada • Presa de bóveda.- Llamada también de doble curvatura. Son de

gran estructura, constituidas por arcos horizontales y verticales. • Presa

de arcos múltiples.- Son presa de contrafuerte, constituidas por varias bóvedas.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de retención y almacenaje de agua.Si observamos tanto la presa como el embalse están relacionados y los podemos agrupar, como un componente de una central de generación hidroeléctrica, destinados a la retención y almacenaje de agua. Elementos de evacuación o control de caudales. Están constituidos por los elementos que permiten sacar o evacuar el caudal de una presa o un simplemente de un canal. Estos elementos pueden ser: Desagües y vertederos. Desagües.- Son tuberías o ductos que atraviesan la presa ya sea como: Desagües de medio fondo o como desagües de fondo. En ambos casos sirven para controlar el volumen del agua, siendo algunos de ellos equipados por válvulas de entradas y salidas.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de evacuación o control de caudales. Vertederos.- Llamados también aliviaderos. La función principal es la de permitir la evacuación de volúmenes de agua en exceso, que superen el nivel normal. Estas aguas normalmente se regresan al antiguo cauce del rio. En las presas de concreto los vertederos se construyen de forma lateral o sobre la coronación, constituyendo los vertederos de superficie.

CENTRALES Componentes de una central de generación. PRESA DANIEL PALACIOS – EMBALSE AMALUZA DE LA CENTRAL MOLINO (TIPO ARCO GRAVEDAD)

CENTRALES Componentes de una central de generación. PRESA DANIEL PALACIOS – EMBALSE AMALUZA DE LA CENTRAL MOLINO

CENTRALES Componentes de una central de generación. PRESA MAZAR DE LA CENTRAL MAZAR (ENROCADA CON PANTALLA DE HORMIGÓN)

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.- La obra de conducción, tienen como objetivo conducir el agua desde la captación (ingreso del agua del embalse), hasta las válvulas de ingreso a la turbina en la casa de máquinas, ya se por un canal de conducción (canal de derivación) o por tubería de presión. Existen diferentes tipos de conducciones, dependiendo del volumen útil del embalse, del caudal requerido y de la ubicación de la casa de máquinas, las mismas que se las agrupa básicamente en 2 tipos de conducciones: Conducciones abiertas.- Llamadas también de régimen de flujo libre que operan a presión atmosférica, dentro de las cuales se encuentran los canales de conducción o de derivación. Pueden ser rectangulares o trapezoidales.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.Conducciones cerradas.- Llamadas también de flujo forzado, las mismas que funcionan a presiones superiores a las atmosféricas. Dentro de este grupo tenemos: Conducciones típicas por túneles o galerías rectangulares:

Conducciones por tuberías de presión o galerías circulares.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.-

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.Otro elemento, que se ubica intermedio en la conducción del agua, es la cámara de sedimentación, llamado también desarenador, que nos permite evitar el paso de arena, pequeñas piedras y otras partículas sólidas, que no han sido retenidas por las rejas que van ubicadas a la entrada del canal de conducción o derivación. Son tramos de canal de gran sección, en los que el agua circula a baja velocidad, quedando depositadas las partículas. Los desarenadores, deben disponer de un sistema que permita su limpieza. Un método consiste en darle a la base la forma de doble pendiente que acaba en un pequeño canal rectangular perpendicular a la sección del desarenador, de tal forma que los sedimentos caen en este pequeño canal, que es de fácil limpieza.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.-

Fig. Cámara de sedimentación o desarenador

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.Cualquier sea el tipo de conducción del agua, ya sea por canal de conducción o por la tubería de presión, vamos a requerir de una cámara de carga. Cámara de carga.- Es un depósito en el que finaliza el canal y del cual sale la tubería de presión. La cámara de carga, cumple dos funciones: Suministra el volumen de agua que necesita la central en el momento de entrar en operación y por otro lado absorbe las oscilaciones y sobrepresiones, que se pueden producir a la entrada de la tubería. Las cámaras de carga deben ser diseñadas, de tal forma de evitar: •

La entrada de sólidos hacia la tubería,



La formación de vórtices o entrada de aire a la tubería.

En las centrales que sólo utilizan tuberías o túneles, esta función la cumplen las chimeneas.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.Chimenea de equilibrio.- Sirve para amortiguar las sobrepresiones y baja-presiones en la tubería de presión que se originan por la aceleración y desaceleración del agua, como consecuencia de las variaciones de la carga.

CENTRALES Componentes de una central de generación. Elementos de conducción de agua.- Cámara de carga.El diseño debe tener una altura mínima con respecto al diámetro de la tubería. Según estudios realizados por Gulliver, Rindels y Lindblom, sobre los efectos de vórtices, se logran evitar, si: •

La sumergencia de la tubería, por lo menos 0,7 del (D) de la tubería.



La velocidad del agua (v), debe ser: v4 y en múltiplos enteros, se utilizan

para centrales hidroeléctricas. • Polos lisos, entre 2 o 4 polos, se utilizan en centrales térmicas,

nucleares, etc.

CENTRALES EL GENERADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA.Otra diferencia constructiva se establece en el sistema de excitación. Dinamo excitatriz.- Sistema convencional.

Excitación electrónica.- Sistemas modernos(autoexcitación o externa)

CENTRALES EL GENERADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA.Los generadores eléctricos se clasifican en: Generadores electromecánicos: Generadores en los que una turbina o motor de cualquier tipo mueve el eje de una maquina para producir electricidad. Ejemplos: Energía térmica, Energía hidráulica, Energía eólica, Energía geotérmica, Energía nuclear, Energía maretomotriz, etc. Generadores fotovoltaicos: Generan corriente eléctrica continua directamente de la energía radiante solar, por fenómenos fotovoltaicos en el silicio, que no son explicables intuitivamente y requieren modelos quánticos para una mejor comprensión. La energía de estos paneles se acumula en baterías, y de ellas o bien se usa directamente la corriente continua, o se transforma con facilidad en alterna. Generadores electroquímicos: Son pilas o baterías recargables de acumuladores. Los acumuladores eléctricos se utilizan para almacenar la corriente eléctrica producida por otros medios y utilizarla cuando sea preciso. Entre ellos el más utilizado Generador eléctrico de hidrógeno.

CENTRALES EL GENERADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA.Funcionamiento de un GENERADOR En vacío. La característica en vacío 𝑬𝟎 =f(𝑰𝒆 ), que representa la f.e.m en bornes de la máquina en vacío en función de la corriente de excitación, se la realiza de manera experimental; sin embargo es muy similar a la curva de magnetización del hierro y en forma general responde a la solución experimental dela máquina eléctrica.

CENTRALES EL GENERADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA.Efectos del funcionamiento del generador conectado a la red. Cuando un generador se conecta al circuito exterior se crean las corrientes en el inducido, las mismas que nos generan los siguientes efectos: Caída de tensión en las bobinas del inducido: La resistencia que nos presentan los conductores del inducido hace que tengamos una caída de tensión, debido a la corriente del inducido (2 – 3 %) en grandes generadores) y muchas veces despreciables. También debe considerarse la correspondiente a la reactancia del inducido, la misma que se debe al flujo de dispersión del estator que no interacciona con el flujo del rotor. Este flujo de dispersión permite determinar un coeficiente de autoinducción que multiplicado por la frecuencia angular de la corriente (2πf), da lugar a la reactancia de dispersión del estator. Esta reactancia puede provocar caídas del 10 -15% de la tensión del inducido. Efecto de reacción en el inducido: El tipo de reacción que tendremos en el inducido dependerá de la carga conectada:

CENTRALES EL GENERADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA.Efectos del funcionamiento del generador conectado a la red. Efecto de reacción en el inducido: El tipo de reacción que tendremos en el inducido dependerá de la carga conectada: • Resistiva: Tenemos que la reacción del inducido desfasado 90 grados un incremento en la caída de tensión interna y una disminución en determinado tiempo y un incremento en otras partes, con respecto a bornes de salida.

CENTRALES EL GENERADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA.Efecto de reacción en el inducido: El tipo de reacción que tendremos en el inducido dependerá de la carga conectada: • Inductiva: La carga inductiva produce un efecto desmagnetizante, es decir una fem de reacción del inducido que se opone a la fem del inductor, lo que hace que aumente la caída de tensión interna y por ende aparece una caída de tensión importante en los bornes de salida.

CENTRALES EL GENERADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA.-

• Capacitiva: La carga capacita, contraria a la inductiva produce un efecto magnetizante, es decir una fem de reacción del inducido que refuerza a la fem del inductor, lo que hace disminuya la caída de tensión interna y eleva el valor de la tensión en los bornes de salida.

Efecto de dispersión del flujo magnético: Hay líneas de fuerza que no pasan por el inducido, se pierden o llegan al siguiente polo. Cuanto más alta sea la corriente del inducido, más pérdidas por dispersión nos encontramos.