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ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Edición N°1 Lugar de Edición INACAP Capacitación Revisión N°0 Fecha de Revisión ¿QUÉ SON CENTRALES HIDRÁULICAS? Se entiende por Centrales Hidráulicas el conjunto de Obras Civiles, equipos eléctricos, equipos mecánicos y protecciones eléctricas y mecánicas, para producir energía eléctrica usando la energía de un desnivel de agua. Las Obras Civiles transportan el agua hasta un punto en el cual se puede aprovechar un desnivel con un caudal. El equipamiento electro-mecánico está formado por una turbina acoplada a un generador de tal modo que la energía hidráulica que se consigue con el desnivel del agua se puede transformar en energía eléctrica Los equipos eléctricos transforman generalmente el voltaje y corriente de la energía producida y la transportan a un sitio desde donde es llevada a los consumidores Los equipos mecánicos sirven para ayudar a transportar el agua hasta la Casa de Máquinas y poder cortar su suministro en determinadas condiciones; además suministran los servicios auxiliares para que la turbina y el generador puedan funcionar en condiciones normales Para poder construir una central hidráulica es necesario contar con una corriente de agua que se pueda aprovechar en un punto formando un desnivel de agua. Un ejemplo muy típico de lo anterior es la Central Los Molles, la que contaba con un río de gran pendiente y por lo tanto se pudo construir un canal de aducción que lleva un curso paralelo al río, obteniéndose en la Cámara de Carga un desnivel de mas de 1200 metros respecto al nivel del río en ese punto. La potencia de una central hidráulica depende principalmente de la altura del desnivel del agua y del caudal que pueda llegar hasta la Casa de Máquinas. Mas adelante definiremos en forma más detallada este punto. Otra forma de construir una central es la Central Sauzal cuyas obras se iniciaron el año 1940 y por lo tanto representa un modelo de central antigua con la singularidad de tener gran cantidad de obras civiles especiales cuyo detalle veremos mas adelante. Otra manera de construir una Central es hacer un gran muro en el río para producir un embalse e instalar la Casa de Máquinas dentro del mismo muro, este modelo de Central es el que se usó para construir la Central Rapel, donde se consiguió una altura de caída máxima cercana a los 80 metros. Esta central se puso en servicio el año 1968. Página 1 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES DEFINICIÓN DE CENTRALES HIDRÁULICAS Las nuevas grandes centrales de Endesa tales como Ralco y Pangue tienen mas o menos el mismo diseño general de la Central Colbún. Otras centrales se construyen usando como toma de agua, la descarga de una central existente, este es el caso de las centrales Sauzalito y Curillinque cuyas tomas de agua están en las descargas de Sauzal e Isla, respectivamente. Si resumimos como ha ido evolucionando la construcción de centrales hidráulicas en Chile, podemos hacer el siguiente cuadro: Central Características Año Potencia Unidades Obras Civiles Los Molles 1950 16 MW 2 Bocatoma y canal Sauzal 1945 72 MW 3 Bocatoma, canal, túneles Abanico 1945 86 MW 4 Rapel 1968 350 MW 5 Colbún 1985 420 MW 2 Pangue 1996 467 MW 2 Bocatoma, canal Embalse Casa de Máquinas en el muro Embalse, Casa de Máquinas fuera del muro Embalse, Casa de Máquinas fuera del muro La potencia de las centrales ha ido aumentando como también la potencia de las unidades. Los grandes embalses significan una mayor ductilidad en el despacho de la energía durante al año. TIPOS DE CENTRALES HIDRÁULICAS Las centrales hidráulicas las podemos dividir en varios tipos según el objeto para el cual fueron construidas y la operación que se puede hacer de ellas. Página 2 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Un modelo de centrales de construcción más moderna son las centrales Colbún-Machicura cuya puesta en marcha se hizo el año 1985. La Central Colbún cuenta con un embalse en el río Maule desde el cual el agua es llevada a la Casa de Máquinas por medio de un túnel a presión que está distante del embalse. El agua que sale de la descarga de Colbún llena otro embalse que se descarga por la Central Machicura. Centrales de paso Son aquellas centrales que deben utilizar en forma inmediata el agua que captan. Ejemplos de este tipo de centrales son: Central Curillinque Central Sauzalito Estas centrales son productoras de energía y su potencia depende de la central aguas arriba que fija el caudal que recibirá y por lo tanto su potencia. Pueden hacer algunas variaciones de su potencia bajando la cota de la cámara de Carga durante algunos minutos. Estas centrales tienen la ventaja de ser baratas para construir porque tienen pocas obras civiles y generalmente son operadas por telecomando desde la central principal. Sus inconvenientes son, que generalmente tienen poca potencia y que su operación es muy rígida no pudiendo cooperar a la regulación del sistema, ya que generalmente regulan su potencia para absorber toda el agua que llega a la Cámara de Carga. Centrales de embalse diario Son aquellas centrales que poseen un embalse de capacidad limitada que permite juntar agua durante ciertas horas del día y después aprovecharla a las horas de mayor consumo. Por lo general el embalse de estas centrales puede ser usado para funcionar con la central a plena carga durante 3 a 4 horas aunque el caudal afluente sea bajo. Centrales de este tipo son: Central Sauzal Central Los Molles Centrales de embalse multimensual Son aquellas centrales que tienen un embalse de un tamaño tal que les permite guardar agua para ser usada meses mas tarde. La capacidad de estos embalses es grande y la energía acumulada depende del consumo a plena carga de la central y de la variación que experimente el caudal del río de aporte durante las distintas estaciones del año. Página 3 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES a) Según la operación de la Central Otras centrales llenan sus embalses durante la época de deshielo pudiendo guardar su agua para la época en que su afluente es menor. Por lo general el manejo de estos embalses se rige por los precios de la energía durante la temporada pudiendo obtener mejor precio al uso de esta agua en temporadas en que sube el costo de la energía. Centrales de este tipo son: Colbún Rapel Pangue Cipreses Centrales de embalse multianual Son aquellas centrales que poseen grandes embalses, generalmente naturales, que les permite acumular agua durante los años más lluviosos para usarla en años de poco afluente. Los embalses naturales mayores que tenemos en nuestro sistema son el Lago Laja y la Laguna del Maule, de las cuales Lago Laja es la que permite acumular la mayor cantidad de energía de un año a otro ya que esa agua se usa en las centrales El Toro, Antuco y en parte en Abanico. b) Según la forma de construcción Centrales con canal de aducción Son aquellas en que el agua captada en una Bocatoma es llevada por medio de canales hasta un embalse o la Cámara de Carga para producir allí una caída de agua aprovechable. Hay centrales que tienen más de una aducción y por lo tanto pueden tener canales de diferentes capacidades e incluso aducciones de diferentes tipos. La característica de un canal es que su superficie va en contacto con el aire y que hay una diferencia de cota entre su inicio y su final. La diferencia de cotas depende de la pérdida de carga que se produce por el paso del agua por el canal. Página 4 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Hay centrales que acumulan agua durante la temporada de lluvias y lo pueden descargar en la temporada en que el valor de la energía es mayor. Son aquellas centrales que tienen túneles en presión para alimentar directamente las unidades de generación. Por lo general estas centrales tienen un embalse, en el cual se encuentra la toma del túnel, y llega hasta una chimenea de equilibrio donde se alimentan las unidades por medio de tuberías subterráneas o al aire libre. Centrales con tuberías de presión al aire libre En estas centrales las tuberías de presión van colocadas a lo largo de la caída estando expuestas al aire libre. Las tuberías mismas pueden ser de distintos materiales tales como acero , concreto e incluso algunas tuberías antiguas pueden ser de madera. Centrales con Casa de Máquinas en cavernas Algunas centrales tienen su Casa de Máquinas instalada dentro de una caverna, siendo transportada el agua por medio de túnel a presión o tuberías que van por el interior del cerro. En los casos en que el terreno al lado del río de la descarga es pequeño o de mala calidad se prefiere construir la Casa de Máquinas en el interior del cerro que forma la caída debiendo instalarse los equipos auxiliares de la central en su interior. En algunos casos la construcción de la central sale más barata al hacer la Casa de máquinas en caverna, porque la alimentación de agua a las unidades se hace por medio de un pique vertical o inclinado a presión, lo que es mas barato para construir que una tubería tradicional que va por el perfil del cerro. Este esquema de central en caverna se usa especialmente en centrales de alta caída y caudales grandes. Centrales con Casa de máquinas al aire libre. Este es el tipo mas corriente de Casa de Máquinas, pero para su ejecución necesita un lugar adecuado en cuanto a espacio y calidad del terreno. El edificio de la Casa de Máquinas necesita espacio para colocar las unidades, los transformadores de poder y todo el equipo auxiliar de las unidades. Página 5 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Centrales con túneles a presión PARTES PRINCIPALES DE UNA CENTRAL HIDRÁULICA Las partes principales que forman una central hidráulica son las siguientes: Obras de captación Obras de aducción Casa de Máquinas Obras de descarga A.- OBRAS DE CAPTACIÓN La captación de agua para las centrales puede hacerse de tres formas principalmente: Captaciones en el río Captaciones en la descarga de otra central Captaciones profundas en grandes embalses Captaciones en el río Las centrales que no son de embalse captan el agua en río por medio de una presa que corta la pasada y la desvía hacia las obras de aducción. La captación en el río llamada la Bocatoma y en ella se encuentran a lo menos los siguientes elementos: Compuertas de toma Compuertas desripiadoras Compuertas de descarga al río Las compuertas de toma pueden ser de diferentes tipos según la antigüedad de la Central y la cantidad de agua que se deba captar. Estas compuertas por lo general tienen una capacidad de captación mayor que la de las obras de aducción por lo cual generalmente tienen instalado en la misma bocatoma un sistema de regulación para descargar el exceso de agua captada. Junto con las compuertas de toma se instalan también rejas para impedir la entrada a la aducción de materiales indeseables tales como madera y otros elementos en suspensión. Página 6 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES En casas de máquinas antiguas era común que se hiciera la sala de comando de los equipos dentro del mismo edificio en que estaban las máquinas. En cambio actualmente la tendencia es que los comandos sean muy pequeños y pueden estar en lugares alejados de las casas de máquinas Junto con las compuertas de toma o de admisión del agua en algunos lugares se instalan máquinas limpiadoras de rejas para mantener operativas las rejas de captación de la central limpiándolas con partida automática o manual. Durante la época de las crecidas generalmente el río trae mucho arrastre de materiales en suspensión, tales como ramas y otros que a veces tapan totalmente las rejas impidiendo que pueda pasar el agua a través de ellas. En las figuras siguientes veremos tipos de bocatomas: antiguas como son las de la Central Abanico y Sauzal y otra de corte moderno que es la bocatoma Polcura de la Central Antuco. En la primera las compuertas de descarga al río son manuales debiendo subirse por medio de un tecle que se va corriendo entre compuertas para poderlas sacar y dejar que el río pase a través del vano. En uno de los costados de esas compuertas se encuentra la compuerta de toma, que manejada manualmente por un operador que trabaja en el sitio y que debe hacer movimientos de la compuerta durante el día para cambiar el caudal de agua captado. Debajo de las compuertas de toma se encuentra una compuerta desripiadora que sirve para sacar las piedras delante la compuerta de toma. En la Bocatoma Cachapoal de Central Sauzal se tienen 4 compuertas de toma , 4 desripiadoras y 4 de descarga al río. Además hay un vertedero para botar el exceso de agua. El accionamiento de las compuertas es con motor eléctrico y reducción de control local. En la Bocatoma Polcura, las compuertas son de sector y pueden ser manejadas desde el Comando o localmente. Existe lo que se llama una “barrera móvil”, que está formada por 5 compuertas de sector que en los casos de crecidas grandes se abren dejando pasar el río sobre la barrera. En un costado de la barrera móvil hay un vertedero que permite evacuar las crecidas menores y los excesos de agua no captados sin abrir compuertas. La barrera móvil actúa a la vez como compuerta de descarga al río o como desripiadora de la bocatoma. En un costado de la barrera se encuentra la compuerta de toma que está protegida por una reja y un limpia rejas. La entrada del agua a las compuertas de toma se mantiene limpia por medio de dos compuertas desripiadoras. Este esquema que vemos en la Bocatoma Polcura se repite en las centrales que captan agua directamente del río y en principio tampoco hay diferencia con las bocatomas de Abanico y de Sauzal salvo que el equipo es más moderno y necesita un mínimo de personal para su operación. Página 7 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES La protección para impedir excesos de agua en la captación puede ser un vertedero que bota el agua sobrante o compuertas automáticas que los botan directamente al río. Estos elementos han ido cambiando con el tiempo dándole más seguridad a la captación. Captaciones en la descarga de otra central Estas bocatomas son bastante más sencillas que las anteriores y generalmente cuentan con compuertas de toma y de descarga al río. Por el hecho de encontrarse en la descarga de otra central se supone que el agua viene suficientemente limpia y que no necesita que se haga una limpieza adicional de ripio o arena. Es común que en este tipo de bocatomas exista un control de nivel que regula la carga de la central, manteniendo un nivel en la Bocatoma. También tienen estas bocatomas sistemas de protección para botar los excesos de agua captados. Generalmente estas bocatomas están conectadas directamente con el canal de aducción de la Central. Captaciones profundas en grandes embalses En los casos de los grandes embalses en que la toma de agua debe hacerse a grandes profundidades para alimentar un túnel en presión, se usan generalmente compuertas planas cuyos mecanismos de operación se encuentran en la superficie a gran distancia de la hoja de la compuerta misma. Junto con las compuertas de toma se instalan compuertas de mantenimiento que permiten hacer la inspección o el mantenimiento de la compuerta principal. Por tratarse de túnel a presión las rejas de toma pueden estar a la entrada del túnel de admisión, aguas arriba de la compuerta de toma, o en la aducción misma donde se construye un pique de rejas, que tiene espacio para poder entrar a revisar las rejas para limpiarlas. B.- OBRAS DE ADUCCIÓN Las Obras de Aducción tienen por objeto llevar el agua captada desde la Bocatoma hasta la Casa de Máquinas, permitiendo inspeccionar las obras en caso de detención por mantenimiento. Página 8 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES En las bocatomas, debido a la necesidad de tener una seguridad de servicio lo más alta posible, se suelen instalar grupos de emergencia para poder maniobrar las compuertas en casos de pérdida de la alimentación de energía eléctrica. En las bocatomas importantes siempre se encontrará el grupo de emergencia, ya que en los grandes temporales coinciden los aumentos de caudal con pérdidas de líneas de alimentación de los servicios auxiliares de la Bocatoma. Aducciones al aire libre Aducciones en presión. ADUCCIONES AL AIRE LIBRE En las aducciones al aire libre se usan normalmente los siguientes elementos: Canales abiertos y acueductos Descargas de agua captados y obras de seguridad Puentes canales y sifones Cámara de carga Eventualmente estanque de sobrecarga, desarenadores, estanques de contrapunta etc. Canales Los canales abiertos es la solución que más se usó antiguamente en pequeñas y medianas aducciones. Tiene la ventaja de la facilidad de construcción y que cuando aumentan las pérdidas de carga es posible peraltar algunas partes para recuperar o aumentar su capacidad. Los canales cuando están nuevos tienen una cierta rugosidad que es lo que fija las pérdidas de carga y la capacidad del canal. Con el tiempo se producen cambios en el canal que aumentan su rugosidad y por lo tanto disminuyen su capacidad de porteo de agua. Los principales problemas que afectan la capacidad de un canal son: Entrada de arena o piedras Desgaste de los concretos que aumenta su rugosidad Crecimiento de algas en las paredes Por otra parte los canales sufren más que los túneles en casos de temblores fuertes y pueden producirse grietas que afectan la estabilidad del canal. Las secciones más usadas en canales son las de forma trapezoidal y en algunos casos de sección rectangular. En algunas centrales es necesario construir algunos túneles para lo cual se pueden usar acueductos (sin presión) o túneles a presión. Página 9 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Para las obras de aducción debemos distinguir dos tipos principales: Descargas de agua captadas y obras de seguridad Dentro de las obras de la aducción hay descargas de los canales y acueductos para poder vaciar los canales y para poder evacuar los excesos de agua que se hayan podido captar Las obras de seguridad mas usadas para evacuar aguas captadas en exceso son: Compuertas automáticas, que se abren cuando el nivel de agua en un determinado punto sobrepasa un cierto valor. Sifones, que empiezan a botar agua cuando el nivel del agua llega al borde de descarga. Vertederos, que mantienen una cota constante botando los excesos de agua . Todos estos elementos de seguridad se pueden encontrar en diferentes puntos a lo largo de la aducción y teniendo una descarga para que los excedentes de agua lleguen hasta el río. Dependiendo del arrastre sólido que tenga el agua de la central será necesario hacer reparaciones a los desgastes que hagan en los concretos y la limpieza de las zonas donde se acumula arena, por lo que la aducción debe poderse vaciar totalmente para inspeccionar todas sus partes. Para el vaciado de las Obras Hidráulicas en algunas instalaciones se colocan compuertas de accionamiento manual que se utilizan solo en el caso de vaciado de las obras de aducción. En otras instalaciones también se consideran en el proyecto algunas entradas para poder inspeccionar las aducciones. Puentes canales y sifones En los casos en que la aducción deba atravesar un río o una quebrada se usa o un puente-canal o un sifón invertido. Los puentes–canales son generalmente auto resistentes y permiten pasar quebradas con el canal, que generalmente se cambia a una sección rectangular en ese punto, para seguir más adelante con la misma sección que traía antes de atravesar la quebrada. Página 10 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES La sección que se use para un determinado canal dependerá de la topografía del terreno y de la pérdida de carga que se proyecte para el canal. Mientras mayor es la sección menos pérdida de carga hay y por lo tanto se puede aprovechar una mayor altura de caída, pero su costo es mayor. Para el proyecto se hace un estudio técnico–económico para determinar cual es la sección que conviene más económicamente. Cámara de Carga Todas las centrales que tienen su aducción al aire libre terminan en una sección amplia que contiene un volumen importante de agua que es llamado la Cámara de Carga. Desde este punto nacen las tuberías que generalmente van por la superficie de la caída. En la Cámara de Carga se encuentran las compuertas de cabecera de las tuberías las que generalmente son accionadas por protecciones o manualmente desde la Sala de Comando. Las compuertas de las tuberías deberían cerrarse al operar una protección de sobre velocidad del agua de la tubería y por sobre velocidad de los grupos turbo-generadores. Las compuertas de entrada a las tuberías son generalmente planas o válvulas mariposas y por seguridad deberían cerrarse sin energía externa. En centrales antiguas esto último no se cumplía porque los servomotores de compuertas no eran muy utilizados en esa época. En las centrales modernas las compuertas de cabecera de las tuberías son consideradas como protección de la tubería y se cierran sin necesidad de energía con servomotores de aceite a presión que se descargan cerrando ante la operación de una protección de sobre velocidad. La cámara de Carga tiene un volumen que permite tomar carga con las unidades durante un tiempo corto bajando su nivel; el tiempo de tomada depende del volumen de la Cámara y del caudal afluente en ese momento. Desarenadores Los desarenadores son instalaciones destinadas a eliminar arena en el agua de la aducción. Para producir la decantación de la arena se hace un ensanchamiento del canal de aducción en un punto generalmente cercano a la captación. El ensanchamiento produce una disminución de la velocidad del agua y con eso se decantan las partículas de arena en suspensión más pesadas. Si uno quisiera obtener una eliminación total de la arena en una aducción debería bajar la velocidad del agua al máximo es decir aumentaría el espacio, el Página 11 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Los sifones invertidos son usados para cruzar ríos de mayor largo y consisten en uno o más tubos a presión que bajan hasta un cierto punto y después vuelven a subir al otro lado del río. En estos sifones se instalan compuertas de emergencia y de fondo para poder inspeccionarlos cuando se detiene la aducción. Los sifones producen una pérdida adicional en la aducción ya que tiene los cambios de sección y la pasada por los tubos como agregados a las pérdidas del canal. Además de las bateas para decantar la arena, un desarenador debe tener un sistema para evacuar la arena sacada del agua y llevarla al río. Estanque de sobrecarga y de compensación. Muchas centrales para poder generar mas energía a la hora de punta y menos a la hora de menor consumo, tienen dentro de sus obras de aducción un estanque adicional que se va llenando cuando el valor de la energía está bajo y se vacía cuando el precio de la energía o la necesidad del servicio así lo requieren. Estos estanques de sobrecarga por el hecho de tener una sección de pasada grande, trabajan además como desarenadores para las partículas que vengan en suspensión. La cantidad de energía que pueden acumular depende del tamaño del estanque y de la altura de caída de la Central. Generalmente se hacen para que puedan acumular agua para suplir en las horas de punta durante unas 4 a 5 horas. Además de los estanques de sobrecarga, sirven también para acumular agua algunas bocatomas y las cámaras de carga. Los canales de aducción a la Cámara de Carga también permiten acumular una pequeña cantidad de agua aprovechable para generación, al bajar el nivel de la Cámara de Carga y aumentar la velocidad de pasada del agua por el canal. Por el hecho de estar entregando el agua captada en Bocatoma a horas diferentes, cuando se tiene un estanque de sobrecarga, el caudal del río aguas abajo de la central produce golpes de agua que influyen en las captaciones que se encuentran en el curso inferior del río. Debido a esto en los ríos que tienen regadío aguas debajo de la central, se instala un estanque de la misma capacidad que el estanque de compensación, para suplir el agua en los momentos que la central está con carga baja. De este modo, el río aguas debajo de las instalaciones de la Central permanece con un caudal constante igual al captado en ese momento en la Bocatoma. La capacidad del estanque de compensación debe ser a lo menos igual que el de compensación para hacer entregas de agua equivalentes a las guardadas en el de sobrecarga. ADUCCIONES EN PRESIÓN Las aducciones en presión son aquellas en que el agua es llevada por medio de túneles bajo presión hasta el lugar de la Casa de Máquinas. La característica de los túneles en presión es que al término de la aducción antes de iniciar las tuberías, generalmente subterráneas, existe la Chimenea de Equilibrio. Página 12 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES volumen y el precio del desarenador. Los proyectos normalmente están hechos para eliminar las partes más gruesas del material en suspensión. Los túneles en presión pueden encontrarse en aducciones combinados con canales al aire libre o pueden estar en aducciones completas bajo presión. Los túneles aprovechan en parte la resistencia del terreno para soportar la presión y pueden ser hechos directamente en la roca o revestidos. Hay túneles que combinan dentro de una misma aducción tramos que son revestidos y tramos que van solo en roca. El revestimiento puede ser hecho en concreto o en palastro, dependiendo de las presiones existentes en cada punto. Los túneles a presión generalmente tienen una entrada para hacer inspecciones y deben contar con un sistema de vaciado para su mantenimiento. El vaciado de túneles en presión requiere de gran cuidado debido a que la presión del agua del túnel es traspasada a la roca soportante y en el momento en que se vacía el túnel y se baja la presión en su interior, la presión externa puede producir daños en la roca o el palastro del túnel. Un fenómeno parecido sucede cuando se hacen tomadas o rechazos de carga en una central con túnel en presión. Si no existiera la chimenea de equilibrio se podrían producir graves daños al túnel. Chimeneas de equilibrio La chimenea de equilibrio es un ensanchamiento del túnel a presión, en la parte final de éste, que sale a la presión atmosférica y que tiene un volumen de agua mediano. El objeto de la chimenea es entregar agua directamente desde la chimenea a las tuberías de las unidades cuando hacen una toma de carga y a su vez recibir el agua de las tuberías cuando hay una disminución de carga o un rechazo en las unidades. La chimenea de equilibrio es una protección para el túnel evitando bajadas y subidas de presión dañinas. Las chimeneas de equilibrio son colocadas en los túneles largos y que están ubicados junto a una central hidráulica que puede tener variaciones bruscas de carga. Al entregar o recibir la chimenea agua desde o hacia las unidades permite la presión dentro del túnel tenga variaciones menores, podemos decir que la chimenea disminuye las bajadas y los aumentos bruscos de presión dentro del túnel. C.- CASA DE MÁQUINAS Página 13 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Túneles a presión Unidades generadoras Sistema de refrigeración Sistema de drenaje Cables de poder y cables de control Equipos de Control Patio de Montaje y puente grúa Unidades generadoras Las unidades generadoras están formadas por una turbina y un generador acoplados directamente sobre un mismo eje. Según la posición del eje tenemos turbinas de eje horizontal y de eje vertical. Las unidades de mayor tamaño son generalmente de eje vertical y las de menor tamaño de eje horizontal. El rendimiento de las turbinas no cambia con la posición del eje. Sólo cambia con el tamaño de la unidad y el tipo de turbina utilizado. La excitación para el generador puede encontrarse sobre el mismo eje de la unidad o en equipos separados, pudiendo ser dicha excitación estática o giratoria. La tendencia moderna es que la excitación de las unidades sea una excitación estática separada del grupo generador. En el grupo generador además se encuentra la señal de velocidad que se lleva al regulador de velocidad para que sirva de referencia para la regulación. Sistema de refrigeración El sistema de refrigeración tiene principalmente los siguientes objetivos: Refrigeración del estator Refrigeración de los cojinetes de las unidades Refrigeración del sello de la turbina ( agua limpia) Página 14 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES En las casas de máquinas se encuentran los siguientes elementos: Los cojinetes de las unidades refrigeran su aceite con intercambiadores de calor refrigerados con agua que pueden estar dentro del depósito de aceite del cojinete o pueden estar fuera de la unidad y llevarse hasta el enfriador de aceite por medio de bombas de lubricación. En el caso de las turbinas Francis y Kaplan, hay un sello en la turbina que puede ser de carbón o derivados del teflón que necesitan agua para su refrigeración. Para evitar el desgaste de la zona del eje donde roza el sello, el agua de refrigeración del sello debe ser muy limpia y generalmente lleva un sistema especial de filtrado. Sistema de drenaje En todas las casas de máquinas existe un sistema para evacuar el agua de filtraciones de las turbinas y del exterior del edificio que se juntan generalmente en un pozo de drenaje, desde donde son evacuados al exterior por medio de bombas que parten automáticamente para mantener un nivel máximo en el foso de drenaje. Por la gravedad que puede traer una falla en el sistema de drenaje del agua es uno de los puntos que deben controlarse y tener alarmas de alto nivel que avisen al operador de esta anomalía. Cables de poder y cables de control Para llevar los distintos cables de poder y los de control de las unidades generalmente dentro de la Casa de Máquinas hay galerías y espacios especiales dedicados a llevar los cables desde la Unidad hasta la Sala de Comando o hasta los transformadores. Estas galerías de cables deben estar a la vista para poder hacer inspecciones visuales y poder hacer algunas medidas para su mantenimiento y controlar su estado. Equipos de control En la Casa de Máquinas también están montados todos los equipos de control protecciones de las unidades. Página 15 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Los estatores pueden ser refrigerados por aire tomado del exterior, como es el caso de las unidades pequeñas, o pueden ser refrigerados por medio de ventiladores colocados en el rotor y para lo cual se necesita enfriar ese aire por medio de enfriadores de aire que utilizan el agua de refrigeración del estator. El regulador de voltaje mantiene el voltaje de la unidad y ayuda a repartir la carga reactiva de las unidades Además se encuentran instalados los equipos de protecciones mecánicas tales como Temperaturas Vibraciones Presiones Interruptores límites Las protecciones eléctricas miden, controlan y dan alarmas midiendo, voltajes, corrientes potencias y otras para conocer el estado y el funcionamiento de los equipos. Patio de Montaje y Puente - Grúa Dentro del edificio de la Casa de Máquinas se encuentra un espacio destinado a colocar las piezas que forman los generadores y las turbinas durante las mantenciones mayores. Por lo general hay ciertas piezas de las turbinas y los generadores que tienen un peso grande que no pueden ser colocadas en otra parte que la que se ha proyectado especialmente para ello. Al hacer el desarme de una unidad debe tenerse previsto el lugar donde se van a depositar cada una de las piezas viendo su tamaño y su peso, para no sobrecargar alguna de las partes de la Casa de Máquinas. D.- Canal de descarga Para la evacuación del agua de las turbinas se construye un canal que lo lleva al exterior. Este canal, por lo general es a presión atmosférica y de una sección amplia para tener menos pérdidas de carga Cuando los canales de descarga son relativamente largos, tienen sistemas de aireación para evitar subidas de nivel del agua en el canal. En las centrales que tienen instaladas turbinas del tipo Francis o Kaplan se instalan en el canal de descarga un vertedero para controlar el nivel mínimo de agua en la salida de las turbinas. Si la cota de la descarga está más baja que lo normal se produce un vacío mayor a la salida de la turbina produciéndose cavitación en la turbina. Página 16 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES El regulador de velocidad permite mantener la velocidad y la carga de las unidades y tiene las protecciones para evitar una sobre velocidad del equipo. Equipos hidráulicos En las centrales podemos encontrar los siguientes equipos hidráulicos: Compuertas Rejas Limpia rejas Válvulas Medidores de nivel Compuertas Las compuertas son equipos destinados a impedir la pasada del agua en un lugar cuando están cerradas y a dejarla escurrir cuando están abiertas. Las características de una compuerta son: Presión máxima de operación Superficie de la sección Luz del vano que cierran Se pueden distinguir según su trabajo, dos tipos de compuertas: Compuertas de servicio Compuertas de emergencia Las compuertas de servicio son aquellas que están proyectadas para abrirse y cerrarse con agua por el lado de presión. Las compuertas de emergencia son aquellas que para poderlas colocar y sacar deben estar sin agua o con presiones igualadas en ambas caras. Generalmente son tableros planos que se colocan en los vanos para poder reparar las compuertas de servicio o hacerles mantenimiento. Para el personal que maneja compuertas es muy importante saber qué tipo de compuerta se está accionando cuando se presentan problemas con su operación. En algunos casos compuertas que deberían ser de servicio y operarse como tales, por desgaste de algunas partes se transforman en compuertas de emergencia debiendo igualarse presiones a ambos lados de la hoja antes de abrirlas. Página 17 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES EQUIPOS HIDRÁULICOS, MECÁNICOS Y ELÉCTRICOS Compuertas planas Compuertas de sector Las compuertas planas que son de servicio, o sea, que deben manejarse con carga de agua por el lado de alta presión, tienen un sistema de ruedas que se apoyan en rieles empotrados en la parte fija del muro para tener un mínimo de roce y poderse abrir y cerrar con esfuerzos normales. Si los rieles o las ruedas están muy gastadas, la compuerta se apoya directamente sobre el sello fijo de la compuerta aumentando su roce y la fuerza necesaria para accionarla. Las compuertas de sector tienen su apoyo con descansos planos sobre la parte fija de la obra en que están colocadas. Al haber un desgaste de los descansos la compuerta empieza a tener filtraciones porque los sellos de la hoja no quedan apretados sobre la parte fija. Las compuertas de sector se usan en caudales mayores que las planas, su costo de fabricación y de montaje son mayores pero en cambio su mantenimiento es menor. En las centrales modernas de gran caudal se usan mayormente compuertas de sector en las bocatomas para descarga al río y para desripiar. Todas las compuertas necesitan un mecanismo para su accionamiento. Hay varias soluciones que se tienen para mover las compuertas siendo los mas usados: Reducción por engranajes Reducción con cable y poleas Sistema Hidráulico. El sistema hidráulico de accionamiento es el más usado actualmente sobre todo para compuertas de gran tamaño, debido a su facilidad para cerrar en forma automática por protecciones y a su menor tamaño y costo. Rejas Las rejas son equipos mecánico-hidráulicos, que se instalan a la entrada de una aducción a tubería para impedir la entrada de materiales indeseados a dicha aducción. La separación entre las barras de la reja da una pauta del tamaño máximo del material que podrá traspasar la reja. Hay varios tipos de rejas, dentro de las aducciones se colocan rejas cuya abertura es bastante ancha, destinada a impedir la pasada de árboles o maderas de gran tamaño que vengan flotando por el río. A la Página 18 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Según su forma las compuertas pueden ser: Así, para turbinas Francis o Kaplan de gran tamaño, las rejas de entrada tienen una abertura mayor que las rejas de una turbina Pelton, ya que la pasada de esta última turbina dentro del inyector es más estrecha que en las otras turbinas. Para proyectar una reja debe tomarse en cuenta que si la reja es muy estrecha, pasará poco material, pero tendrá una mayor pérdida de carga y también se tapará con mayor facilidad produciendo un gran desnivel entre los dos lados de la reja. Para controlar como está funcionando una reja debe medirse el nivel de agua a ambos lados y ver su diferencia en función del caudal o la potencia que está pasando por la reja. Cuando se sobrepasa un cierto valor existe el peligro que entre aire a las tuberías o al túnel a presión con posibles golpes de ariete en su interior. Una reja debe ser capaz de resistir la carga máxima del agua suponiendo que está totalmente tapada. Para eso generalmente se agregan vigas intermedias para aumentar su resistencia mecánica. Por otra parte las rejas deben tener una rigidez y resistencia a la vibración de modo que no puedan entrar en resonancia de vibración por la influencia del agua que pasa a través de ellas. Limpia rejas Los limpia rejas son equipos que se instalan frente a las rejas de toma y tienen por objeto sacar el material que se deposita en las rejas. Las rejas normalmente tienen una cierta pérdida de carga, la que aumenta con el cuadrado de la velocidad del agua. De este modo una reja que tiene la mitad de su superficie tapada aumenta 4 veces sus pérdidas. Lo anterior hace que se justifique instalar equipos que son caros para despejar las rejas ya que de ese modo se recupera las pérdidas en forma de energía. Hay limpiadores que son automáticos los cuales se ponen en servicio al aumentar la pérdida de carga en la reja, otros funcionan con partida manual. Válvulas Página 19 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES entrada de las tuberías o en los lugares donde el agua pasará directamente a las turbinas se colocan rejas más finas con una separación entre barras tal que lo que pase por las rejas deba pasar sin problemas por turbina. En las centrales hidráulicas se usan preferentemente válvulas mariposas y válvulas esféricas. Las válvulas esféricas se usan en centrales con caídas de mayor altura y para caudales menores que en las válvulas de mariposa. Las válvulas esféricas se caracterizan porque la parte de la válvula que corta la pasada de agua es giratoria y la parte que gira ( llamada nuez de la válvula) tiene una parte que es un tubo que deja pasar el agua y a 90° tiene la parte que lleva los sellos. Estos sellos móviles están normalmente recogidos para que la nuez pueda girar libremente y una vez que llega a su posición de cierre se aplican por medio de un sistema de aceite a presión. Estas válvulas son más caras, debido a que tienen muchas piezas que son de ajustes muy finos y además su pérdida de carga es pequeña. Las válvulas mariposas son usadas en alturas de elevación menores pero para caudales mayores que las esféricas. Las válvulas mariposa tienen en su interior una pieza giratoria que lleva los sellos móviles que al llegar al fin de la carrera de la válvula cierran contra los sellos que están en la parte fija de la válvula. Las válvulas mariposas pueden tener su eje vertical o horizontal y el sello móvil ( que va en la parte giratoria) puede ser metálico o de goma. Las válvulas mariposas y esféricas tienen un mecanismo para accionarlas; antiguamente se usaban motores eléctricos con reducciones de engranajes u otros. Las válvulas actuales usan servomotores hidráulicos que cierran con un contrapeso, no necesitando por lo tanto energía para cerrar. Esto último permite cerrarlas en cualquier momento y usarlas como protección de tuberías o de turbinas, haciendo que el servomotor se ponga a la descarga cuando opera una protección que se desea que cierre la válvula. Hay también otros tipos de válvulas usadas en algunas instalaciones de centrales hidráulicas: Válvulas de chorro hueco ( Casa de Válvulas de Lago Laja), que sirven para descargar agua directamente a la atmósfera. Página 20 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Las válvulas son equipos que cortan la pasada de agua en un circuito de agua. Se caracterizan por dejar pasar o cortar el flujo en un circuito continuo. Medidores de Nivel Dentro de las Obras Hidráulicas uno de los controles que se encuentran en todas partes son los medidores de nivel. La medida del nivel en un determinado punto nos indica el caudal de agua que está pasando en un punto de un canal al aire libre. Generalmente los medidores de nivel están colocados en sección de aforo, lo que permite saber a que caudal corresponde cada una de estas cotas medidas por el instrumento. La medida del nivel de la Bocatoma da la información de la revancha que hay en ese punto con la cota de rebalse y nos indica además el caudal afluente a ese punto. En las cámaras de carga por el hecho de estar su superficie a la presión atmosférica indica la columna de agua disponible para la generación. La cota de la descarga de la central en conjunto con la cota de la Cámara de Carga dan la medida de la altura bruta que dispone la central. Esta altura es válida para las centrales que utilizan turbinas del tipo Francis y Kaplan. A esta altura bruta se le debe descontar las pérdidas de carga de la tubería y las rejas para tener la energía disponible para la turbina o altura neta. En las centrales que tienen turbinas Pelton, la cota de la descarga debe controlarse porque al sobrepasar cierto valor dentro de la descarga de la turbina se produce una sobrepresión por llenarse la salida del agua, con lo cual se disminuye la potencia que entrega la turbina. Por otro lado, si la cota de la descarga sube a un nivel mucho mas alto, puede llegar el agua que entra desde el río a tocar la rueda con lo cual se puede producir daños graves al rodete. Este problema se puede producir en la Central El Toro con las grandes crecidas del río Polcura. Existe una alarma y una desconexión por alto nivel de la descarga en esta Central. Las cotas de entrada de la Cámara de Carga como también las de Chimenea de Equilibrio tienen un valor mínimo que no se debe sobrepasar para evitar la entrada de aire a las tuberías y túneles a presión. Por lo general existe una alarma y una desconexión por este motivo. Los instrumentos medidores de nivel se instalan dentro de un tubo aquietador de agua para impedir que el oleaje esté indicando subidas y bajadas de nivel. Página 21 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Válvulas rectilíneas ( Inyectores de Central El Toro) estas válvulas van colocadas a la entrada de los inyectores y tienen una pieza móvil que se mueve en sentido del escurrimiento para dar paso o cortar el agua de la turbina. EQUIPOS MECÁNICOS Los equipos mecánicos más importantes que encontramos en las Casa de Máquina son: Turbinas Bombas de agua Bombas de aceite Compresores Turbinas Historia de la turbinas y su desarrollo Desde los primeros años de la civilización los hombres trataron de usar la energía hidráulica por medio de equipos que fueron inventando y que fueron la base para las actuales turbinas hidráulicas. 1728-1686 A.C. Rueda elevadora con balde del rey Hammurapi en babilonia 230 A.C. Descripción de ruedas hidráulicas verticales pequeñas y de la rueda de reacción para fuentes de salto por Pilón de Bizancio en Estambul 88 A.C. Molinos de trigo con accionamiento de rueda hidráulica en Callira 350 km al oriente de Ankara (Turquía) 85 A.C. Oda del Antipate en Salónica ( Grecia) en molinos de trigo con accionamiento hidráulica 65 A.C. Descripción de ruedas elevadoras hidráulicas accionadas por circulación por Lucretius. 25 A.C. Descripción de ruedas elevadoras y ruedas hidráulicas de golpe inferior en Roma por Marcus Vitruvius Pollio. Época de Cristo Dos ruedas hidráulicas horizontales cerca de Bolle en Jutlandia (Dinamarca ) Página 22 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Los antiguos instrumentos estaban conectados con la Sala de Comando por medio de cable telefónico siendo reemplazados actualmente por una trasmisión por señal de radio. Tu Shih descubre un fuelle de mano accionado popr energía hidráulica en Nanyang ( China ) 65 D.C. Descripción de un molino con rueda hidráulica, por Plinius 79 D.C. Molino en relieve accionado por agua en Pompeya (Italia) 100 D.C. Rueda hidráulica de 1,85 m de diámetro en Tivoli a 25 km de Roma 100 D.C Aserraderos , trituradoras de minerales en Roma. 200 D.C Mosaicos de una noria en Apamoea (Siria) 270 D.C Chhu y Wang Jung enctran en China un molino de trigo accionado por agua 300 D.C. Rueda hidráulica de alimentación inferior de diámetro de 3,7 m en Haltwhistle a 64 km de Newcastle ( Inglaterra) 300 D.C Bosquejo de una rueda hidráulica de alimentación superior en la catacumbas de San Agnes en Roma 300 Tres ruedas hidráulicas verticales de 2,12 a 2,3 m de diámetro en Hagendorn cerca de Cham a 21 km de Zurcí ( Suiza ) 300-400 Tres ruedas horizontales en Brukenreine en Chemto cerca de Tunis 310 Complejo de molinos con 16 ruedas hidráulicas de alimentación superior ( 2,2 m de diámetro) en Barbegal cerca de Arles en Francia. 460 Rueda hidráulica de alimentación superior de diámetro 3,24 m en Atenas (Grecia) 500 Mosaico de una rueda hidráulica de alimentación inferior en el Gran Palacio de Estambul ( Turquía ) 1400 Accionamiento de ruedas hidráulicas para fuelles de explotación de bronce y carbón , fundición de cobre.La mayoría de alimentación superior para aprovechar el peso del agua a diferencia de las de alimentación inferior que usan su velocidad ( de impulso). 1485 Diseño de rueda de cuchara para accionamiento de una fábrica de laminación y un taller por Leonardo da Vinci (1452-1519) Página 23 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES 31 D.C. René Descartes ( Francia ) 1643-1727 Isaac Newton 1646-1716 Gottfried Wihelm von Leibnitz 1667-1748 Profesor Johann Bernouilli en Basilea ( Suiza ) 1693-1761 Bernast Forest de Belidor . Descripción de ruedas hidráulicas con palas arqueadas. 1700-1782 Profesor Daniel Bernoulli .- Reacción de un chorro desviado. Ecuación de Bernoulli. 1707-1783 Profesor Leonard Euler .Basilea ( Suiza ) Matemático y físico .Ecuación del movimiento de los fluidos 1724-1792 Fabricante Inglés de instrumentos hace ensayos: Rueda hidráulica de alimentación superior Rendimiento 60 % Rueda hidráulica de alimentación inferior Rendimiento 30% 1755-1859 Hans Caspar Escher , funda la firma Escher Wyss en Suiza 1788-1867 J.V.Poucelet ensaya ruedas hidráulicas de alimentación superior : Rendimiento entre 60 y 70 % 1849 James B. Francis construye y calcula la primera turbina con circulación del agua de adentro hacia fuera en EE.UU. 1829-1908 Lester Allen Pelton de EE.UU. en 1880 construye y calcula la primera turbina de su nombre. 1893 Se construye la primera gran turbina Francis de 4100 kW 1908 Se construye una turbina de alta presión para una caída de 993 m 1913 Viktor Kaplan patenta su turbina Página 24 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES 1596-1650 Los datos que caracterizan una turbina son los siguientes: Potencia Altura neta Velocidad Caudal KW (CV) m RPM m3/seg (HP) Según las características que se necesiten para una central hidro-eléctrica se usarán los distintos tipos de turbinas existentes. Para grandes instalaciones las más usadas son: Pelton, Francis, Kaplan Estos tres tipos de turbinas pueden construirse con su eje horizontal o vertical, generalmente las de mayor tamaño son de eje vertical y las menores de eje horizontal. Pelton Las turbinas Pelton constan de uno o más inyectores para encauzar el agua hacia un rodete que tiene varios capachos con forma de cucharas donde la acción del agua hace girar el rodete. El agua cae a la descarga por gravedad. La característica de la turbinas Pelton, llamadas también turbinas de acción, es que la presión a la entrada y a la salida de la rueda es la presión atmosférica. Para regular el caudal de entrada a la rueda se hace moviendo el inyector a la posición de cierre o apertura. Para desviar el agua del inyector a la descarga sin pasar por la rueda se hace por medio de un deflector de chorro que tiene cada inyector, siendo posible regular la velocidad en un disparo de carga sin provocar golpes de ariete. Francis Las turbinas Francis son llamadas turbinas de reacción porque a la entrada de la rueda la presión es mayor que la atmosférica y en la salida es menor que la presión atmosférica. Página 25 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Las turbinas son los equipos motrices que mueven los generadores generalmente acoplados en el mismo eje. Para regular la cantidad de agua que entra a la turbina se tiene un distribuidor de álabes móviles que junto con limitar el caudal, le da la dirección adecuada para que entre a la rueda con un mínimo de pérdidas por choque. El agua que entra al rodete radialmente cambia su dirección dentro de la rueda para salir en forma axial ( en el sentido del eje de la turbina. El agua que sale de la rueda entra a un cono que es el difusor para recuperar la energía cinética que todavía trae el agua en la descarga. Kaplan Las turbinas Kaplan son también llamadas de reacción porque a la entrada de la rueda la presión del agua es mayor que la presión atmosférica. En estas turbinas el agua entra al rodete en forma axial ( en sentido del eje de la turbina) y sale en la misma dirección. Para darle dirección al agua a la entrada de la turbina se tiene un caracol y un grupo de álabes directrices que regulan el caudal de entrada a la turbina. La rueda de estas turbina está formada por un núcleo central y unas palas en forma de hélice cuyo paso es regulable cambiando la dirección de ellas. Esto hace que las turbinas Kaplan tengan dos tipos de regulación del caudal de entrada a la turbina: la regulación de los álabes directrices y la regulación de la abertura de las palas. Generalmente la regulación de las palas y la de los álabes están conjugadas y así se obtiene siempre que a una abertura de álabes corresponde siempre la misma abertura de palas. Usando una buena combinación de estas dos regulaciones se puede obtener un óptimo rendimiento para todas las cargas de la unidad. Generalmente esa combinación óptima está colocada en la unidad y no es fácilmente cambiable. El agua que sale de la rueda, entra a un difusor donde se recupera la energía cinética que trae el agua. Página 26 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Las turbinas Francis se caracterizan por tener un caracol en cual va colocado el anti distribuidor para hacer que el agua que viene entrando por la tubería cambie su dirección para ponerse radial. Estas reglas generales han ido cambiando con el tiempo debido a que las turbinas Francis tienen mejor rendimiento que las Pelton. Las turbinas Kaplan tienen rendimiento mas alto que las Francis en cargas medias y bajas. El precio de las turbinas Kaplan es mayor que el de la Francis. El precio de las Turbinas Francis es menor en algunos casos que las Pelton. De lo anterior, se ha llegado a que actualmente se construyen turbinas Francis para caídas altas que antes solo se usaban con turbinas Pelton. Por otro lado las turbinas Kaplan, en algunas instalaciones que deben funcionar con alturas y cargas muy variables, han reemplazado a las Francis en esas instalaciones. Potencia de las turbinas La potencia de las turbinas depende de los siguientes factores: Caudal Altura neta Rendimiento La potencia de una turbina es igual a: P = ηQHn γ η = Rendimiento de la turbina Q = Caudal Hn = Altura neta γ = Peso específico del agua Esta relación para el cálculo de la potencia de la central es válida para cualquier tipo de turbina. La diferencia entre las turbinas está en el rendimiento propio de cada una para un cierto caudal y el valor de la altura neta. Página 27 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Para elegir el tipo de turbina que se va a usar se puede decir que las turbinas Pelton, se usan en altas caídas, las Kaplan, para bajas caídas y las Francis, para caídas medias. Para las turbinas Francis y Kaplan, la altura neta es la energía disponible a la entrada de la turbina medida hasta la cota de la descarga descontándole la energía cinética del agua en la salida. Por lo general la potencia de la turbina es mayor que la potencia del generador debido a que la turbina debe entregar la potencia que sale del generador más sus pérdidas y a veces también debe entregar la potencia de las excitatrices. Los valores de placa que aparecen en las turbinas son los valores teóricos garantizados por el fabricante, sin embargo es muy corriente que en algunas unidades dichos valores sean sobrepasados en base a pruebas hechas en los equipos y a la experiencia adquirida durante su explotación. Bombas de agua En las casas de máquinas existen siempre instalaciones de bombas de agua cuyo objeto es principalmente para la refrigeración de las unidades y para el drenaje de las aguas de filtraciones. Las bombas usadas normalmente para refrigeración y drenaje son bombas centrífugas. Bombas centrífugas Las bombas centrífugas son bombas cuyo rodete gira tomando el agua en forma axial y entregándolo en forma radial. Su flujo es inverso al de una turbina Francis y la forma de su rodete es muy parecido al de la turbina. Las características de una bomba centrífuga es la curva P-H que da la presión de la bomba a su salida en función del caudal de agua entregado y la curva N-Q que entrega la potencia consumida en función del caudal. La curva P-H tiene la característica que para un caudal 0 ( con la válvula de descarga cerrada) tiene un valor determinado por la forma y velocidad de la bomba. Las bombas centrífugas pueden contar con un rodete y aspirar el agua desde un punto mas bajo que la ubicación de la bomba. En esos casos para que la bomba pueda funcionar normalmente la carcasa y el rodete de la bomba deben estar cubiertos totalmente de agua. Esto se llama en la forma popular “ cebar la bomba”. Página 28 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES La altura neta para una turbina Pelton es la energía disponible para la turbina medida en columna de agua, a la entrada de la turbina y entregada en el punto de contacto del chorro con la rueda. Debido a esto en muchas instalaciones se coloca la bomba dentro de un pozo que está bajo el nivel del agua que se va a aspirar, con lo cual “el cebado” de la bomba se hace en forma automática. Otra solución dada al problema del cebado es la fabricación de bombas de “pozo profundo” que se colocan dentro del pozo de aspiración y se pueden poner en servicio en forma inmediata porque siempre están sus rodetes y caracoles llenos de agua. Un rodete de un cierto diámetro y velocidad tiene una altura de elevación fija. Para el caso que se necesite una mayor altura de elevación, usando el mismo tipo de rodete, se puede hacer agregando varios rodetes en serie, estas son las bombas de varias etapas. La potencia necesaria para hacer funcionar una bomba es: P= QHel γ η η = Rendimiento de la bomba Q = Caudal Hel = Altura de elevación γ = Peso específico del agua De esta fórmula podemos concluir que mientras mayor es la cantidad de agua y mayor la altura de elevación necesitamos mayor potencia. A medida que el rendimiento de la bomba baja se necesita mayor potencia para elevar el mismo caudal y a la misma altura. La altura de elevación de una bomba es la energía entregada al fluido por la bomba expresada en metros de columna de agua. Página 29 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES En las instalaciones en que la bomba debe cebarse, se instalan distintos sistemas, los que retardan la puesta en marcha de la bomba. Al mirar estas curvas uno puede saber de antemano la altura de elevación y la potencia que necesita la bomba para entregar un cierto caudal. Para la instalación de una bomba en las recomendaciones y características aparece el valor NPSH (Net Positive Suction Head), que da pautas para la altura de instalación de una bomba. NPSH = (Paabs − Pb ) + c s 2 gρ 2g = (Pb + Ps − PD ) + c s 2 gρ Ps abs = Presión absoluta en la tubería de succión Ps = Presión manométrica positiva Pb = Presión atmosférica PD = Presión absoluta del vapor para la temperatura del fluido cs = Velocidad del agua en la succión ρ = Densidad del agua g = Aceleración de gravedad 2g Bombas de aceite En la mayoría de los equipos de compuertas, de válvulas, reguladores de velocidad etc. encontramos sistemas de aceite a presión en los cuales generalmente hay un estanque, de distintas dimensiones según su uso, donde hay aceite a presión y un gas que normalmente es aire o nitrógeno. Para suplir el aceite ocupado del estanque hay una o más bombas de aceite que entregan el aceite para recuperar la presión del estanque. Página 30 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES En las figuras que se acompañan se ven las curvas características de una bomba de un rodete y las características de una bomba de variaos rodetes. La característica principal de estas bombas de aceite es que para caudal 0 la presión es muy alta. No se puede cerrar la válvula de descarga de una bomba volumétrica. Debido a esto a las bombas se le agrega en la descarga una válvula de sobrepresión para que la presión no pase de un cierto valor y pueda dañar la instalación. Los circuitos de aceite a presión se usan para el comando de la regulación de las turbinas, para el accionamiento de válvulas mariposas y esféricas, para accionar compuertas etc.. Junto con las bombas y los estanques de aceite a presión se instalan una serie de válvulas de comando para hacer más automática estas operaciones. Compresores En las casas de máquinas encontramos siempre compresores y una red de aire comprimido para atender algunos usos en las unidades. El aire se usa para el frenado de las unidades, aunque también hay algunas que se frenan con aceite a presión, además algunas turbinas Francis y Kaplan necesitan que se les inyecte aire en los difusores en algunas condiciones especiales de generación. La red de aire comprimido se usa además en herramientas esmeriladoras, llaves de torque etc. el mantenimiento de las unidades para accionar Los compresores actualmente en uso son a pistones y sobre todo los de tornillo. EQUIPOS ELÉCTRICOS Los equipos eléctricos principales en una Casa de Máquinas son: Generadores Excitatrices Interruptores y Desconectadores Página 31 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Las bombas de aceite son generalmente bombas volumétricas, es decir que tiene desplazamiento positivo y pueden ser de engranajes rectos o helicoidales , rotativas de aletas o rotativas de embolo. Los generadores de una central van conectados directamente a la turbina y hay algunas instalaciones en que se conectan dos turbinas con un generador ( Central Cipreses) La parte mecánica de los generadores está formada por un eje unido al rotor el que está soportado por descansos generalmente de metal blanco metidos en baño de aceite. Según la posición del eje del generador ( y de la turbina) los generadores pueden ser verticales u horizontales. En el caso de los generadores de eje horizontal, el rotor del generador ( donde van colocados los polos) está ubicado entre dos cojinetes, estando a lo menos uno de ellos preparado para soportar el empuje axial de la máquina, sobre todo en las turbinas Kaplan o Francis. Para los generadores de eje vertical existen la disposición del rotor colocado entre dos descansos y la disposición ( tipo paraguas) en que el descanso de empuje axial está bajo el rotor junto con un descanso guía y en la parte superior hay otro descanso guía ( disposición semi paraguas) y o hay un descanso muy débil ( paraguas). En el rotor van colocados los polos cuyas bobinas son alimentadas desde la excitación de la máquina; además llevan los ventiladores para enfriar las bobinas instaladas en la parte fija del generador y la zona de frenado de la unidad. En la parte fija se encuentra el estator donde van colocadas las bobinas donde se genera el voltaje que se saca hacia el exterior por medio de cables adecuados. En el estator van colocados los enfriadores de aire, alimentados por agua, para refrigerar las bobinas. Hay algunos generadores de menor tamaño, que se enfrían solo por aire que se toma desde el exterior. Para soportar el rotor se instalan dos puentes que llevan los cojinetes y en el inferior van instaladas las zapatas de freno del generador. Los generadores se caracterizan por su potencia, el cos , su velocidad y el voltaje de tal manera que la placa está escrita de la siguiente forma: Fabricante Central Página 32 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Generadores KVA KV A RPM La potencia efectiva que puede entregar el generador es el producto de su potencia en KVA por el cos . Excitatrices Las excitatrices producen corriente continua para alimentar las bobinas del rotor y producir un voltaje alterno en el estator. Las excitatrices pueden estar instaladas en el mismo eje que el generador y la turbina o pueden estar separadas de la unidad generadora. Las excitatrices separadas pueden ser rotatorias o estáticas, actualmente casi todas las excitatrices que se instalan son estáticas. Estas tienen la ventaja de que su mantenimiento es más simple y no tienen piezas giratorias que siempre presentan desgastes. Las excitatrices van conectadas con los reguladores de voltaje para generar una tensión alterna en el generador. Interruptores y desconectadores Los interruptores son equipos que sirven para abrir y cerrar un circuito de alta tensión. Las características de un interruptor están dadas por el voltaje del circuito que se va a interrumpir y la corriente máxima con que puede operar. Los interruptores de las unidades pueden estar ubicados entre el generador y el transformador de poder. Esto sucede en las máquinas de potencias pequeñas o medianas, sin embargo en las unidades de mayor potencia generalmente están colocados en alta tensión a la salida del transformador de poder. Esto último es debido a que las corrientes en el interruptor serían muy grandes si se conectaran en el voltaje de generación por lo cual se prefiere conectarlos en alta tensión para tener corrientes más bajas en el interruptor. Página 33 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Potencia Cos Voltaje Corriente Velocidad EQUIPOS DE CONTROL Y PROTECCIONES EQUIPOS DE CONTROL Los equipos de control principales que tenemos en una central son los siguientes: Regulador de velocidad Regulador de voltaje Regulador de velocidad El regulador de velocidad es un conjunto de equipos que tiene por objeto mantener la velocidad de la unidad cuando está en vacío y mantener la potencia que suministra cuando está sincronizada. En un regulador de velocidad se distinguen: Detector de velocidad ( conectado al eje de la unidad) Procesador de órdenes Sistema hidráulico para comandar la turbina. Retorno Detector de velocidad En las unidades antiguas que tenían reguladores de velocidad netamente mecánicos, sobre el eje de la unidad se colocaba un GIP ( generador de imanes permanentes) el cual generaba un voltaje alterno que movía el regulador de velocidad mismo a una velocidad proporcional a la de la Máquina. Ese motor hacía girar unos contrapesos que al abrirse más o menos producía un movimiento en una válvula para entregar aceite a la lado de abrir o el de cerrar según el caso. Todo este equipamiento en los reguladores antiguos era mecánico y sólo la resultante era de carácter hidráulico. Al regulador que giraba por el motor le llegaban las órdenes tales como estatismo, velocidad de ajuste y límite de abertura Página 34 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Los desconectadores son equipos que abren circuitos energizados pero lo pueden hacer solo sin que haya circulación de corriente. En cada instalación se colocan los desconectadores necesarios para poder aislar eléctricamente equipos y para poder hacer transferencias eléctricas de interruptores o de equipos. Procesador de órdenes En los reguladores mecánicos el procesador es bastante simple porque solo mide la señal de velocidad entregada en forma de una presión de aceite que trata de abrir o cerrar la unidad y amplía esta orden solo controlado por el limitador de abertura y el estatismo. En los reguladores de velocidad electrónicos esta parte se hace totalmente eléctrica, ya que se suman la órdenes de velocidad, con la de la consigna de velocidad, el límite de abertura, la señal de potencia y la señal de la consigna de potencia; entregando este sumador el resultado como una orden de abrir o cerrar la turbina. La diferencia entre el regulador mecánico y el eléctrico es que este último permite cambiar las consignas y las características del regulador sólo cambiando un switch, en los reguladores mecánicos los cambios son hechos en forma manual o por medio de sistemas electromecánicos. Sistema hidráulico para comandar la turbina. En los reguladores electrónicos y los mecánicos, el sistema hidráulico de comando de la turbina es similar. Consta de un estanque a presión con aceite y un gas. En los estanques antiguos el gas usado era aire; en los sistemas modernos se usa nitrógeno a presión en estanques que son mucho más pequeños, generalmente varios cilindros semejante a los de oxígeno que se usan para soldar. Las presiones del aceite y el gas han ido aumentando en las unidades modernas, ya que antiguamente se usaban presiones que no pasaban los 20 bar. Actualmente es corriente tener presiones de 70 y 80 bar. La otra tendencia de las máquinas modernas es que la válvula de protección de la tubería ( mariposa o esféricas ) usan el mismo sistema de aceite que el regulador de velocidad , con la consiguiente economía en instalación de equipos. Sistema de retorno El sistema de retorno consiste en un movimiento para eliminar la orden de la velocidad, cuando el regulador ha hecho un ajuste en la abertura o cierre de la turbina. Página 35 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES En los reguladores actuales el detector de velocidad es una señal colocada en el eje ( generalmente un engranaje) y un aparato que cuenta los dientes del engranaje y lee exactamente la velocidad de la máquina. Esta señal se lleva a un procesador que da una señal al regulador proporcional a la velocidad medida. En los reguladores electrónicos, el retorno de potencia o de carrera del servomotor está dado por una corriente proporcional, que llega al procesador de órdenes para determinar la orden de abertura o cierre del regulador. Regulador de voltaje El regulador de voltaje tiene por objeto mantener el voltaje de la unidad cuando no está sincronizada y ajustar las cargas reactivas cuando está conectada al sistema. Hay reguladores de voltaje mecánicos y electrónicos, donde los últimos son los que se construyen en las unidades modernas. El regulador de voltaje actúa sobre el voltaje de la excitatriz para variarlo y cambiar el voltaje de generación o su carga reactiva. Los reguladores mecánicos son lentos para actuar y tienen que agregar una serie de elementos para operar en los cambios bruscos de carga. Los reguladores electrónicos son muy rápidos de actuar y mantienen las características dadas muy bien. Es común en las unidades modernas que existan dos reguladores de voltaje, de los cuales uno está operando; pero al fallar el que está en servicio o por una orden manual se cambia al segundo regulador. PROTECCIONES En las centrales hay una serie de protecciones mecánicas y eléctricas, que sirven para que los equipos operen normalmente durante la explotación. Las protecciones mecánicas más comunes son las siguientes: Temperatura de descansos Temperatura de enrollados del generador Temperatura del agua de refrigeración Medidores de circulación de agua de refrigeración Medidores de vibraciones en descansos Medida de nivel de aceite Página 36 de 36 ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Los reguladores mecánicos tenían solo retorno con su estatismo de abertura del servomotor de operación de la turbina. La orden del retorno se hace por medio de palancas o cable que mecánicamente deshace la orden de velocidad dada por el péndulo centrífugo. ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Presión aceite regulador de velocidad Presión de aceite en descansos Presión de agua en tubería. Limitación de la velocidad del servomotor de turbina ( en el regulador) Sobre velocidad Niveles de agua Las protecciones eléctricas más comunes son: Sobre-voltaje Sobre-corriente Diferencial corta Diferencial larga Falla de excitación Protección de tierra del rotor Protección de tierra del estator Sobre temperatura aire del estator Protección Bucholtz( gases en el transformador) Circulación de aceite del transformador Sobre temperatura aceite transformador Nivel de aceite transformador Página 37 de 36
