Cap 8 Obras hidráulicas y dispositivos esenciales de una planta hidroeléctrica Presas Los reservorios pueden ser naturales (lagos) o artificiales (por construir una presa en el rio) Presa & obre de toma La presa se construye a lo ancho del rio, para cumplir dos funciones: Tomar agua del rio, almacenarla y Crear carga hidráulica Clasificación por las materias estructurales Madera (altura 6 a 12 m) Acero (altura 6 a 12 m) Tierra (hasta 100 m) Roca Mampostería Protección contra erosión por oleaje: Capa de roca, concreto entablado (hasta el nivel de agua) La otra cara expuesta se puede cubrir con: De la erosión por lluvia proteger (pasto, vegetación) PRESA BEAS en PONG Altura 126.5 m Núcleo de tierra y grava Base ancha Fundación permeable Glosario Escollera: obra hecha con piedras o bloques de cemento u hormigón echados al fondo del agua para formar un dique de defensa contra el oleaje del mar Ventajas de presa de TIERRA: Apropiada para fundaciones relativamente permeables Mas económica que una presa de mampostería Si esta protegida contra la erosión, esta presa es una construcción mas permanente Se ajusta mejor al entorno Desventajas presa tierra: Mayores pérdidas por filtración respecto a otras presas La presa de tierra no puede incorporar vertedor, por ello se debe proyectar una obra aparte Peligro de destrucción o daño severo por erosión del agua, filtración a través de la presa o rebalse 3 Tipos presa mampostería: CONTRAFUERTE Suele tener la cara AA inclinada, además la “cuña” logra una resistencia, provee estabilidad y evita el vuelco o deslizamiento ARCO Es preferible cuando en lugar de emplazamiento el ancho del cañón es muy estrecho Puede ser bien anclada y la presión del agua contra el arco es soportada por menos concreto que una presa recta de gravedad La presa tiene una estabilidad inherente contra el deslizamiento El uso de una u otra presa también está condicionada por las condiciones tecnológicas y constructivas de cada lugar PERFIL DE PRESA A GRAVEDAD VERTEDORES Las presas deben posibilitar trasrazar el agua de las grandes avenidas (inundaciones) para evitar su propio daño Esto se logra con la construcción de los vertedores de excedencias. Los que puede tener distintos arreglos; presurizados (tunel, tuberías), superficie libre (canales, etc) OBRA DE TOMA La obra de toma (OdT) que suele incluir las: Obras en la cabecera (estructura de transición) a los tuéneles o canales Casetas de control e izaje de compuertas Pantallas o bastidores (rejillas) de basura Compuertas para traspasar escombros Compuertas o válvulas para “controlar” el flujo de agua Pantallas contra hielo y troncos flotantes Dispositivos de limpieza del las rejillas Tipos comunes de compuertas Radiales Guillotina Conruedas Planas deslizantes De corona Turril, etc. VALVULAS Tipos comunes de válvulas: Rotatorias Esféricas Mariposa Aguja Válvulas (dispositivos de cierre) En general las válvulas se las utiliza para controlar el flujo en las tuberías. Por ello se espera que estos dispositivos tengan un funcionamiento seguro, cierre rápido y hermético, y que introduzcan la menor perdida de energía al sistema En las PHs su operación es extraordinaria (aislar y dar mantenimiento a alguna parte del sistema hidráulico o una emergencia), en consecuencia no se las usa en ningún caso para regular caudal con fines de la generación de energía eléctrica, para ello existen otros dispositivos en las mismas tuberías hidráulicas. Por su uso se las puede ordenar de la siguiente forma: Válvula al a entrada al tubería de presión (generalmente entre la galería y la TdP, si no se dispone de galería entonces no seria necesaria esta valvula puesto que en su lugar – en la OdT – se dispondría de algún tipo de compuesto Válvula de la TdP, que debe estar instalada en algún lugar mas apropiado (generalmente en el remate de la TdP y antes de la turbina) Válvula de descarga o alivio, este tipo de válvula esta en general asociada con una obra de excedencias presurizada y montada en su extremo, descargando a la atmosfera Desde la perspectiva de su construcción tendríamos: Válvulas tipo compuerta, mariposa (o lenteja), esférica y de aguja, también podrían mencionarse las unidireccionales ( o de retención o paso) y las de chorro hueco Válvula de compuerta Como se observa en la ilustración esta válvula con una placa que opera como compuerta, que se desliza sobre un orificio se las utiliza en general en PH que operan en el tango de trabajo de las tuberías Francis pueden ser operadores eléctrica, hidráulica o manualmente Sus coeficientes de “perdida” de carga así como su relación de apertura para un diámetro de 50 mm En el caso que se diámetro sea distinto a 50 mm usar: Para válvulas totalmente abierta se usa: Valvula de mariposa (o de lenteja) La característica de esta válvula es un disco balanceado con una forma tipo “lenteja”, montado sobre una flecha vertical u horizontal. Su disco este contenido dentro de un cuerpo esférico. En el caso que la turbina no este equipado Con un órgano propio de regulación de caudal, el paso del flujo se puede controlar girando la lenteja hasta lograr la regulación deseada. Es una válvula eficiente y económica Se las puede encontrar con control manual por palanca y volante y también con un servo motor Para el cálculo de pérdidas se puede usar el siguiente cuadro: Si la válvula esta completamente abierta, K vale la relación del espesor de la hoja respecto al diámetro K=t/D Tipos de control manual mas comunes Válvula esférica Esta constituida por una esfera exterior hueca, la que aloja en su interior otra esfera. Para accionar estas dos esferas se puede utilizar los métodos eléctricos, mecánicos y manuales. La esfera Interiormente tiene un hueco cilíndrico, que cuando queda alineado con la tubería permite el paso del flujo a través de la esfera. Normalmente se las utiliza donde se requiere válvulas abiertas. Los coeficientes de perdida K para válvulas esféricas se muestran en la tabla siguiente: Si la válvula esta totalmente abierta: Válvula de aguja La válvula de aguja diferencial interna consta de tres cámaras llenas de agua en las que se puede variar la presión hidráulica El origen de salida de las válvulas de aguja mas comunes, varia desde cerca de 4 pulgadas hasta 105 pulgadas (2.67 m) OTROS CONDUCCIONES AA Son las condiciones que pasan (trasmiten) el agua hacia las turbinas. Estas pueden incluir: Túneles Canales Cámaras de carga Tuberías Pozo de oscilación LA CAMARA DE CARGA: puede considerarse como un pasa alargado para canalizar el agua desde el reservorio o un curso de agua (rio) para entregarlo a las tuberías o canales LOS TUNELES Son de dos tipos Presurizados: Posibilitan que la caída sea utilizada para producir Potencia y generalmente estan forrados en acero o concreto, para evitar filtraciones y perdidas por fricción No presurizados: Trabajan como canal (es decir a superficie libre) Pozo de oscilación: Su uso es para evitar el golpe de ariete en la tubería de presión El golpe de ariete se manifiesta como el incremento súbito de presión debido al cierre del paso de agua hacia la turbina. Ese incremento subido es absorbido rápidamente por la subida de la columna de agua en el PdO de otra manera se daña o explota de TdP CASA DE MAQUINAS: Es básicamente una obra civil en las que se aloja las turbinas, generadores, gobernadores y equipos auxiliares DESCARGAR (Canal): Canal o salida del agua de las turbinas hacia el rio o cauce. En algunos casos el agua de la descarga puede ser bombeada de vuelta al reservorio original CALCULOS PRELIMINARES DE UNA PH Básicamente están relacionados con el caudal del cauce orio y la carga (hidráulica) disponible, caída del agua, para generar energía eléctrica El agua en movimiento posee tres formas de energía; energía cinética debido a su velocidad, energía de presión debida a su presión y energía potencial debido a su posición (altura) 𝑣2 Energia cinetica = 2𝑔, Nm por kg de agua 𝑃 𝜌 Energia de posición = , m por kg de agua Energía potencial = 𝑔𝐻, Nm por kg de agua Donde v…… velocidad del flujo en (m/s) p….. presión en (𝑁⁄𝑚2 ) 𝜌… densidad del agua (𝑘𝑔⁄𝑚3 ) H….. la altura del nivel del agua respecto a algún nivel de referencia Entonces la potencia teorica disponible del agua es = 𝑊 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻 (Watts) Siendo Q….. Caudal del agua (𝑚3 ⁄𝑠) H….. Carga neta disponible (m) …… carga total menos las perdidas de carga Si la turbia tiene una eficiencia 𝜂𝑡 entonces la BP (potencia al freno) en el eje de la turbina es = 𝑊 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻 ∗ 𝜂𝑡 (watts) Si la eficiencia del generador eléctrico es 𝜂𝑔 entonces la potencia efectica en placa será 𝑊 ∗ 𝑄 ∗ 𝐻 ∗ 𝜂𝑡 ∗ 𝜂𝑔 (watts) En esta expresión se puede usar las siguientes relaciones para calcular la descarga 1 𝑐𝑢𝑠𝑒𝑐 = 1.3𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎2 , 𝑝𝑖𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑎ñ𝑜 1 pie de agua, sobre una área de 1.12 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎2 dara una descarga de un cusecs a lo largo de un año, asumiendo una es correntia del 100% CU-SEC: unidad volumétrica àra medir el flujo de los liquidos igual a un pie cubico por segundo = 0.028317 (𝑚3 ⁄𝑠) GLOSARIO PRESA DE T&E ESCOLLERAS PRESAS DE TIERRA Y ENROCAMIENTO PRESAS DE GRAVEDAD PRESA GRAVEDAD Y ARCO PRESA DE CONTRAFUERTE PRESAS DE ARCO BOVEDA OTROS – ATAJADOS ETC OTRAS PRESAS VERTEDORES ESQUEMA EN CORTE DE VERTEDOR OBRA DE TOMA REJILLAS Y LIMPIEZA COMPUERTAS VALVULAS VALVULA COMPUERTA PARALELA VALVULA GUILLOTINA
