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• Giordano Martín Díaz Merino

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PRESA GALLITO CIEGO 1.1. GENERALIDADES La Presa Gallito Ciego, es la Obra principal del Proyecto Especial Jequetepeque - Zaña y consiste en una presa de tierra zonificada de sección trapezoidal con sus estructuras de labores para la captación, aducción y salida regulada del agua, así como de un aliviadero para la evacuación de crecidas. La presa ha sido construida sobre el cauce del río Jequetepeque llegándose a formar un embalse máximo de 479.20 millones de metros cúbicos, de los cuales 392.02 millones es el volumen útil para fines agrícolas. Es de gran importancia porque permite la utilización racional de los recursos hídricos de la cuenca del río Jequetepeque, lográndose de esta manera el mejoramiento de riego de 36,000 Ha, e incorporación a la agricultura de 6,700 Ha de tierras eriazas aptas para el cultivo; así como también posibilita la generación de energía hidroeléctrica mediante una Central a pie de Presa de 40 MW de capacidad instalada, en concesión a una Empresa Privada.

1.2. UBICACION Departamento de Cajamarca, Provincia de Contumazá, Distrito de Yonán, localidad de Gallito Ciego, Rio Jequetepeque, con coordenadas UTM Este 691506 Norte 9200269.

1.3. CARACTERISTICAS Y DATOS MÁS IMPORTANTES Estructuración La presa es una estructura de tierra zonificada de configuración más o menos simétrica. La sección típica se compone de un núcleo vertical con taludes 5:1 ubicado en la parte central de la presa, que constituye el elemento de impermeabilización del cuerpo de la presa. Tanto aguas arriba como aguas abajo, el núcleo empalma con zonas de transición con taludes externos 2:1 y sobre los cuales se apoyan espaldones con taludes variables entre 1:2.25 y 1:1.95 (aguas arriba) y 1:1.9 y 1:1.85 (aguas abajo). Los taludes exteriores de la presa están protegidos por un enrocado (Rip Rap) en la zona de aguas arriba para contrarrestar la acción erosiva del oleaje y por revestimiento de grava gruesa aguas abajo para su protección de las lluvias.

I. ANÁLISIS DE LA REPRESA GALLITO CIEGO. 1) Representar gráficamente las cotas de nivel de líquido mínimas y máximas así como las dimensiones de la represa. PRINCIPALES DATOS GEOMÉTRICOS:    

Altura de la presa (entre fundación del núcleo y corona): 112.44 m. Altura de la presa (entre fundación de espaldones y corona): 105.44 m. Ancho de corona: 19.0 m. Longitud de corona: 797.0 m.

PRINCIPALES DATOS DE EMBALSE:    

Nivel mínimo de captación: 336.0 m.s.n.m. Nivel mínimo de explotación: 361.0 m.s.n.m. Nivel máximo de embalse útil: 404.0 m.s.n.m. Nivel máximo en crecidas: 410.0 m.s.n.m.

Para este análisis se consideró lo siguiente:      

Altura de la presa: 105 m. Ancho de la corona: 19 m. Ancho de la base: 430 m. Talud aguas arriba entre: 1:2.05. Talud aguas abajo entre: 1:1. 88. Longitud de la presa: 750 m.

2) Calcular las fuerzas del fluido que actúan sobre la represa.

OBSERVACIONES Y/O HIPÓTESIS.  Fluido estático.  (sólo se considera efecto del fluido). ⁄  (constante a 20ºC). ⁄  (constante). ⁄ (constante).   .  (308 m.s.n.m. – 336 m.s.n.m.).  (336 m.s.n.m. – 404 m.s.n.m.).

DATOS    

   Calculamos el módulo de la fuerza de presión.

Como la fuerza de presión se ejerce perpendicularmente al plano de la represa, entonces se puede calcular la fuerza horizontal y vertical:

Calculamos el centro de presiones.

3) Calcular y analizar la condición de no volteo o derrumbe de la represa debido a las fuerzas del fluido.

DATOS   

Peso de la presa:

Centro de gravedad de la presa: TABLA 1 x(m) xA(m3) 142.26 1593735.224 222.89 444665.55 298.26 3094305.827 5132706.6

2

1 2 3 SUMA

A(m ) 11202.975 1995 10374.525 23572.5 ∑ ∑ ∑ ∑

y(m) 35 52.5 35 -

yA(m3) 392104.125 104737.5 363108.375 859950

SISTEMA DE TUBERÍAS EN LA REPRESA GALLITO CIEGO

2.1. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS O COMPONENTES ESTRUCTURA DE AGUAS ARRIBA O DE ENTRADA Está formada por las captaciones de servicio y de fondo, con sus correspondientes dispositivos de cierre, ésta posibilita la captación del agua embalsada para su posterior entrega al Túnel de Descarga.

Esquema de la represa y tuberías de Gallito Ciego

CAPTACIÓN DEL SERVICIO El agua del reservorio ingresa por una ventana rectangular de 4.22 m x 5.83 m y, mediante una sección de transición a un pique vertical de 3.0 m de diámetro y 15 m de longitud. El pique vertical se conecta con el túnel de descarga a través de una tubería curva a 90º y un embudo de empalme de 3.00 m a 7.50 m de diámetro. CAPTACIÓN DE FONDO La estructura de ingreso está ubicada en la cota 315.0 m.s.n.m., y consiste en una ventana cuadrada de 1.20 m x 1.20 m, que mediante una sección de transición se conecta a una tubería de 1.20 m de diámetro y 42 m de longitud que desemboca en el lado derecho del túnel de descarga. TÚNEL DE DESCARGA El Túnel de Descarga conecta la Estructura de Entrada con la Estructura Terminal o de salida, tiene una longitud total de aproximadamente 700 m y un diámetro promedio de 7.50 m, se compone de tres tramos siguientes



ZONA DE ENTRADA: Esta zona se conecta directamente con el pique vertical mediante una tubería curva a 90° y un embudo de empalme de 3.00 m a 7.50 m de diámetro. En esta zona desemboca también la tubería de la Captación de Fondo.



ZONA CENTRAL: revestido con inyecciones de concreto a presión (torcreto), desde la progresiva 0+045 a la 0+602.6. ZONA DE SALIDA: La zona de salida con su blindaje de acero incluye el tramo de la desviación esférica, desde donde parte hacia el lado izquierdo el túnel de aducción a la Central Hidroeléctrica "Gallito Ciego"; éste túnel es blindado de 3.50 m de diámetro y 55.00 m de longitud. Las labores de Operación y Mantenimiento de éste Túnel aductor están a cargo del Concesionario de la Central Hidroeléctrica.



ESTRUCTURA TERMINAL O DE SALIDA La Estructura Terminal se ubica inmediatamente después de la zona de salida del Túnel de Descarga y se conecta con este mediante una Puerta de Presión y un Tabique de Choque. En esta estructura están instalados dos ductos o ramales a presión que salen del Tabique de Choque y en cada ramal está ubicado una válvula de servicio y una válvula de emergencia; permitiéndose una descarga nominal de hasta 70 m3/s por cada ramal. Las válvulas de labores son de tipo "Howell - Bunger" de 2m de diámetro mientras que las válvulas de cierre de emergencia son del tipo "Mariposa".

Válvulas Howell Bunger

Hasta antes de que se construyera la Central Hidroeléctrica Gallito Ciego, la entrega regulada al Valle Jequetepeque se hacía exclusivamente por medio de las Válvulas Howell

Bunger; al entrar en operación la Central, los caudales turbinados se almacenan momentáneamente en un embalse de compensación para después ser entregados según los requerimientos del valle a través de dos compuertas planas de regulación instaladas en la parte final del embalse. En los casos de paralización de la Central o que los requerimientos del valle superan la capacidad máxima de descarga de las compuertas, se procede a la apertura de las Válvulas Howell Bunger, completándose la diferencia.

2.2. MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA Cuenta con una tubería de presión de 800 mm de diámetro, válvula mariposa, bridas, junta de dilatación, reducción cónica de 800 a 600 mm., volante de impulsión, turbina de doble paso, sistema regulador de velocidades de turbina, generador sincrono trifásico para 275 KVA con tablero de distribución, transformador trifásico (275 KVA – 315 KVA), tableros de control y de distribución y sistema de puesta a tierra.

Tubería de 800mm de diámetro en la Minicentral Hidroeléctrica

II. CÁLCULOS FLUIDODINÁMICOS

0 1

1 2 0 1

3 1

4 0 1

Supondremos que en el flujo no se disipa energía, existe un flujo uniforme y permanente tal que se pueda aplicar la ecuación de Bernoulli. A la vez utilizaremos volúmenes de control fijos. Aplicamos la ecuación de Bernoulli entre 0 y 4

Asumimos que porque no baja el nivel de agua. Tanto la presión en 4 como en 0 son atmosféricas. La diferencia de alturas es 96m. √

⁄

√

Ahora analizaremos pareja de puntos dentro del túnel de descarga, tenemos 4 y 1 ̅̅̅̅̅̅

̅̅̅̅̅̅

La velocidad forma un ángulo de 64° con debido a que la pared de la presa está inclinada 26°. es un rectángulo de 4.22x5.83m y es un círculo de 2m de diámetro. ⁄

A continuación aplicamos la ecuación de Bernoulli a los puntos 1 y 4

La diferencia de altura es de 28.78m. Si restamos el punto 1, así: (

y

Obtenemos la presión manométrica en

)

(

)

Realizamos el análisis entre 2 y 4. La tubería en 2 tiene un diámetro de 3 metros. ̅̅̅̅̅̅

̅̅̅̅̅̅

⁄

Continuamos aplicando la ecuación de Bernoulli entre 2 y 4. Están al mismo nivel, entonces no hay diferencia de alturas.

(

)

(

)

Por último, tenemos el cálculo de presiones y velocidad en el punto 3. Nótese que no se está tomando la desviación esférica debido a que no se poseen datos para ello, se asumen el diámetro 7.5m. Sin embargo, si fuera el caso, se podría hallar con el mismo procedimiento. ̅̅̅̅̅̅

̅̅̅̅̅̅ ⁄

Hallar

(

)

(

)

Los puntos 2, 3 y 4 están al mismo nivel

COINCIDENCIAS Y DIEFERENCIAS CON LOS CONOCIMIENTOS UNIVERSITARIOS -

Para el diseño de una represa en el curso de Mecánica de Fluidos I no se tomaba en cuenta el problema de la caída del agua desde la corona. En gallito ciego pudimos notar que la represa cuenta con un sistema aliviadero en forma de garras (salto de ski) que cumplen de airear el chorro de agua y disminuir su efecto destructivo sobre la poza natural de disipación.

-

Durante el desarrollo de la teoría no se tomaron en cuenta las válvulas Howell Bunger que son disipadoras de energía del flujo. Su funcionamiento y apariencia son llamativos.

-

La estructura trapezoidal elegida para el diseño de la represa durante la primera unidad, se mantiene en la represa de Gallito Ciego, con ciertas modificaciones.

-

Aunque el sistema de tuberías de captación de fondo está obstruido en la represa, es importante tenerlo en cuenta como solución alternativa en las épocas de poco caudal.

PROBLEMAS EN EL SISTEMA DE TUBERÍAS -

Actualmente, la Captación de Fondo se encuentra totalmente colmatada, cubierta por una capa de sedimento de aproximadamente 22.0 m de altura. Como la posibilidad de recuperarla es muy remota y teniéndose en cuenta que nuevamente se perdería en otro año húmedo con alto transporte de sedimentos, considerándose también que fue construida con la finalidad de montaje y de auxiliar para el ingreso de operación en su configuración final de la captación de servicio mas no como estructura evacuadora de flujo en cualquier oportunidad y sin condicionamientos en cuanto a niveles de embalse, se ha determinado su clausura mediante el relleno del conducto que une la sección de captación de fondo y el conducto o túnel de la estructura de labores.

-

El vaciado total del túnel de descarga para fines de inspección y mantenimiento, se facilita a través de la tubería de drenaje ubicada debajo de las dos tuberías de presión. Con este propósito se puede ingresar al túnel por una puerta de presión ubicada en el tabique de choque.

III. ANÁLISIS DE ENERGÍA GENERADA EN LAS TURBINAS HIDRÁULICAS 3.1 DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS Y COMPONENTES:  Tubería de ingreso: Esta es la parte inicial del sistema de generación de energía, es en por donde el agua ingresa al sistema, el diámetro de la tubería inicial es de 800mm, en la parte final hay una brida, la cual se une luego a una válvula mariposa.

Figura 1: Tubería de Ingreso



Válvula mariposa: Una válvula de mariposa es un dispositivo para interrumpir o regular el flujo de un fluido en un conducto, aumentando o reduciendo la sección de paso mediante una placa, denominada «mariposa», que gira sobre un eje. Al disminuir el área de paso, aumenta la pérdida de carga local en la válvula, reduciendo el flujo.

La válvula que se usa en el sistema de generación, obviamente tiene que tener un diámetro de 800mm, para que pueda acoplarse adecuadamente.

Figura 2: Válvula Mariposa



Junta de Dilatación: Es un elemento que permite desplazamientos relativos entre sus extremos sin entrar en deformaciones plásticas.

Figura 3: Junta de Dilatación



Pieza de Transición: Es un dispositivo que une la tubería de presión de agua con el inyector. Esta pieza es importante debido a la geometría de ingreso que tiene el inyector (sección rectangular), que al no coincidir con la geometría de la tubería (sección circular), genera perturbaciones en el flujo. El objetivo de la pieza es hacer que el flujo sea más uniforme.

El cambio de sección en la tobera implica un aumento en la velocidad de la turbina por lo que se infiere que el desgaste que podría ocurrir en el interior de la tobera (pieza de transición) es considerable.

Figura 4: Pieza de Transición



Turbina Michell Banki: Una turbina de flujo transversal o turbina de flujo cruzado (también llamada por los nombres comerciales turbina Banki-Michell o Turbina Ossberger) es una turbina hidráulica desarrollada por el australiano Anthony Michell, el húngaro Donát Bánki y el alemán Fritz Ossberger. Michell obtuvo una patente por su diseño en 1903 y la compañía Weymouth la fabricó durante años. La patente de Ossberger data de 1933

("Free Jet Turbine" 1922, Imperial Patent No. 361593 y "Cross Flow Turbine" 1933, Imperial Patent No. 615445), y fabricó dicha turbina desde entonces. A día de hoy la compañía de Ossberger es el principal fabricante mundial de este tipo de turbinas. A diferencia de la mayoría de turbinas hidráulicas, que tienen un flujo axial o radial, en la turbina de flujo transversal el fluido atraviesa los álabes de forma diagonal. Como en una rueda hidráulica el agua entra en el borde de la turbina saliendo por el interior. Tras atravesar el vano central sale por el lado opuesto. Es una máquina de acción. Al pasar dos veces se obtiene una eficiencia elevada para flujos variables, además de limpiar el rotor de residuos. La máquina es de baja velocidad, apta para bajas alturas pero elevados caudales. Gracias a su simplicidad constructiva, suelen ser máquinas de coste reducido. Todo ello lo hace apropiado para centrales de pequeño tamaño (minihidráulica, centrales fluyentes, etc).

Figura 5: Turbina Michell Banki

La turbina utilizada en la mini central tiene una potencia de 220Kw. 

Volante de Impulsión: Un volante de inercia o volante de impulsión es un elemento totalmente pasivo, que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga. En la actualidad numerosas líneas de investigación están abiertas a la búsqueda de nuevas aplicaciones de los volantes. Algunos ejemplos de dichos usos son: Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su aceleración (KERS). Como dispositivos para suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de energía eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de diversas aplicaciones eléctricas industriales.

En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.

Figura 6. Volante de Impulsión

 Generador síncrono: El generador síncrono es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de rotación) en energía eléctrica. Su principio de funcionamiento consiste en la excitación de flujo en el rotor. El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator. El rotor gira recibiendo un empuje externo desde (normalmente) una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de "corriente continua" de excitación independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio (por el teorema de Ferraris) que genera un sistema trifásico de fuerzas electromotrices en los devanados estatóricos. El generador usado en la en la mini central es de 275 KVA.

Figura 7: Generador Síncrono

 Transformador: Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. El trasformador usado en la mini central es un trasformador elevador (275 KVA – 315 KVA)

Figura 8: Transformador

ANALISIS DE LA ENERGÍA GENERADA EN LAS TURBINAS HIDRÁULICAS: La segunda parada que se hizo en la vista técnica a la represa del Gallito Ciego, fue la mini central eléctrica, la cual esta encarga de generar la energía para la localidad en donde se encuentra la represa y la central, la ubicación es: Departamento de Cajamarca, Provincia de Contumaza, Distrito de Yonan, localidad de Gallito Ciego, Rio Jequetepeque, con coordenadas UTM Este 691068 Norte 9199943 Características: De 220 Kw de potencia. Cuenta con una tubería de presión de 800 mm de diámetro, válvula mariposa, bridas, junta de dilatación, reducción cónica de 800 a 600 mm., volante de impulsión, turbina de doble paso, sistema regulador de velocidades de turbina, generador síncrono trifásico para 275 KVA con tablero de distribución, transformador trifásico (275 KVA – 315 KVA), tableros de control y de distribución y sistema de puesta a tierra. Se incluye al canal Gallito Ciego que consiste en un sistema de tuberías y sus respectivas válvulas de captación y descarga para abastecimiento de agua. Debido a problemas administrativos o a políticas de la institución encargada de la represa, no se nos fue posible llegar a la central principal de las instalaciones, es por eso que solo se hará el análisis de la mini central eléctrica. Representación grafica del sistema de generación:

Previamente (en la parte de acopio de información), se presentó la descripción de los componentes y su respectivo modo de funcionamiento, por lo tanto solo se hará un esquema en el cual se visualice como está conectado todo el sistema.

Tubería de ingreso

Válvula mariposa

Junta de Dilatación

800mm

Generador Siemens 400V 220KW

Volante W=250Kg D=1.15m E=15 cm

Pieza de Transición

Turbina Michell Banki

Figura 9: Esquema simplificado de la represa junto con la toma de agua y las alturas respectivas.

220KW 720 RPM

Velocidad de flujo Máxima y Mínima: Velocidad Mínima La parte superior, es decir la que está a más altura, tendrá en su mayor parte energía potencial gravitacional, por lo tanto su energía cinética será menor, esto quiere decir que en este punto se encontrara la menor energía cinética, por lo tanto el flujo será mínimo. Entre la toma (1) y la superficie, aplicamos la ecuación de Bernoulli (

(

)

)

(

(

)

)

Por continuidad: Tenemos:

Considerando Vs =0 (Por ser un envase muy grande) y considerando un flujo turbulento

Velocidad Máxima: Para hallar la velocidad del flujo máximo, hacemos el mismo razonamiento que en la parte a anterior, sabiendo que una vez el agua llegue a la parte inferior, toda su energía potencial se habrá convertido en energía cinética, de tal forma que su velocidad se incrementara, el nivel al que baja es el mínimo, por lo tanto su velocidad será la máxima. Tomando los puntos de la superficie y el punto número 2, y haciendo el mismo análisis que en el caso anterior, obtenemos lo siguiente:

Nota: Para obtener, las magnitudes de las velocidades, se hace uso de los datos de la represa, los cuales no se nos proporcionó, por lo tanto, se dejan las expresiones respectivas.

Presiones de alimentación y descarga: Presión de alimentación:

En la ecuación que se despejo para hallar la velocidad mínima interviene una variable de presión , esta presión es la presión de alimentación. Energía generada por Turbina: Usando la ecuación de la energía, obtenemos: ̇

(

)

(

)

Sabiendo que

̇

(

(

))

Usando los datos proporcionados por los guías de la visita técnica: ̇

220KW

(

Sabiendo que

(

))

, decimos que

Con los datos de la bomba y del caudal, se nos es posible hallar el las lo anteriormente requerido:

GALERÍA DE FOTOS

Apertura de la válvula Howell Bunger

Salida de agua de la Minicentral

Vista general de la Represa Gallito Ciego

Sistema completo

Carcaza de la Turbina

Turbina, Volante y Generador

Tubería de Ingreso, Junta de Dilatación y Pieza de Transición

RESUMEN La vista al Proyecto Especial Jequetepeque Zaña – PEJEZA fue llevado a cabo el día martes 25 de noviembre de 2014. Las instalaciones de la empresa estaban en óptimas condiciones. Asimismo, el trato del personal fue agradable. Debido a la estación seca, el volumen de agua era bajo. Tuvimos acceso al cuarto de mando desde el cual se accionaba las válvulas Howell Bunger y el sistema del túnel de descarga, así como a la minicentral hidroeléctrica que brinda energía eléctrica a la comunidad de Tembladera. Posteriormente nos dirigimos a la cima de la represa, desde donde pudimos visualizar la corona de la represa y las elevaciones de ski, teniendo una vista general de la represa y sus alrededores. Los equipos observados dentro de la minicentral hidroeléctrica fueron la turbina Michell Banki, el generador y la tubería de inyección de agua para la turbina. También hubo una pequeña demostración del funcionamiento de las válvulas Howell Bunger.