Clase de Captacion y Conducción

8/18/2019 Clase de Captacion y Conducción

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Curso: Centrales Eléctricas I .

Ing. Niko Alain Alarcón Cueva

GESTOR DE PRODUCCIÓN HIDRÁULICA Y ERNC

EDEGEL


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Presa – Embalse.

Cuando hablamos de presas y embalse como conjunto o empaquetado paradividir las centrales hidráulicas nos referimos a:

Embalse.

Presa y aliviaderos.

Tomas y depósito de carga.

Canales, túneles y galerías.

Tuberías forzadas.

Chimeneas de equilibrio.

De la relación indicada, no quiere decir que en una misma central concurran todos ycada uno de los componentes mencionados, pues si bien es cierto que, algunos de

ellos, son imprescindibles, otros, sin embargo, pueden intervenir o no, dependiendo

principalmente de las características del asentamiento de la instalación.


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Sin ánimo de pretender realizar una exhaustiva exposición

teórica de todos los términos hidráulicos, hacemos una reseñade aquellos que son utilizados con mayor frecuencia en el

tratamiento de los temas que nos ocupan, a fin de tener un

recordatorio de los mismos, en lo que a definiciones y fórmulas

se refiere.

Destacamos los conceptos de:

Nivel.

Cota.

Caudal. Aforo.

Carga.

Pérdida de carga.

Salto de agua.

Conceptos hidráulicos


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Nivel y cotaPor nivel entendemos la horizontalidad

constante de la superficie de un terreno,

o la que adquiere la superficie libre de

los líquidos. También interpretamos

como tal, la altura o altitud de dichas

superficies o de un punto cualquiera

respecto de otro u otros puntos de

referencia. Los continuos cambios de

horizontalidad, representan sucesivos

cambios de nivel o desniveles entresuperficies. Recibe el nombre de cota, el

valor de la altura a la que se encuentra

una superficie o punto respecto del nivel

del mar.



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Caudal

Recordemos que caudal, al que llamamos gasto cuandose trata de un orificio, es la cantidad de líquido expresada

en metros cúbicos o en litros,, que circula a través de cada

una conducción abierta o cerrada en la unidad de tiempo


Fórmula:En la que:

Q = caudal en metros cúbicos por segundo

(m3/s).Siendo 1 m3 = 1 000 litros.

S = sección en metros cuadrados (m2).v = velocidad del líquido en m/s, a través de la sección

considerada. En definitiva, el espacio recorrido por la

masa líquida a partir de dicha sección, en la unidad de

tiempo.


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Aforo

Se denomina aforo, a la operación mediante la que se mide el valor de uncaudal. Las mediciones se pueden efectuar en función de la sección del

conducto, de la velocidad media del líquido, de la altura de lámina o calado,

de la presiones en determinados puntos, etc.

Según la naturaleza de la conducción, existen distintos procedimientos para

realizar un aforo. El más sencillo, consiste en dividir la capacidad de un

recipiente por el tiempo que tarda en llenarse. Las medidas de gran

complejidad, relacionadas con los caudales que circulan por ríos y canales,

se obtienen por medio de flotadores, cronometrando el tiempo que tardan

en recorrer una distancia prefijada; y también utilizando vertederos de

secciones conocidas.

Para la determinación de caudales se emplean aparatos tales como tubosVenturi y de Pitot



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Salto de aguaDenominamos de tal modo, al paso brusco o caída de masas de aguadesde un nivel, más o menos constante, a otro inmediatamente inferior.

Numéricamente se identifica por la diferencia de cota, o de nivel, lo que

llamamos altura de salto o salto simplemente, cuyo valor se da en metros

Salto d e agua (Ejemplo : 684m – 599m = 85m ).


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Partiendo de la energía potencial del agua almacenada o estancada en el

embalse, en el instante que las masas de líquido saltan o descienden de un

nivel superior a otro inferior, a través de conducciones dispuestas a tal fin,aquella se transforma en energía cinética que, a su vez, se transforma en

energía mecánica por medio de la turbina. La presencia de dichas

manifestaciones de energía, la cinética y la mecánica, se hace patente por el

trabajo hidráulico obtenido, como resultado de la caída de las masas de agua

recorriendo unos espacios definidos; peso de las masas de agua, en kg, por

altura del salto, en m; el cual se transforma en el trabajo mecánico conseguidoen el eje de la máquina.

Ahora bien técnicamente, es más lógico referirse a potencias suministradas, así

podemos hablar de potencia de un salto o potencia de una turbina, cuyos

valores son prácticamente los mismos si prescindimos de conceptos tales

como pérdidas de carga, rendimientos, etc.

En la que:

P = potencia en CV.

Q = caudal en m3/s.

H = altura del salto en m.

1 000 = cantidad de litros de agua (ó kg) en un m3.

75 = proviene de la equivalencia existente entre el CV y el

kgm/s, como unidades de potencia.


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Salto brutoSe conoce como salto real o salto total, representándose con la letra H.En valor numérico equivale a la diferencia entre el nivel de la superficie

del agua embalsada y el nivel, aparentemente uniforme, de la corriente de

agua que se establece una vez que ésta ha recorrido todas las

conducciones que salvan el salto de agua.

Salto útilTambién denominado salto neto. Lo identificamos con la letra H’.

Corresponde a un valor menor que el del salto bruto, ya que se obtiene

restando de éste todas las pérdidas de carga o altura J que se originan

en la totalidad del recorrido


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Dichas pérdidas se deben a las turbulencias y rozamientos del agua enlas entradas de las tuberías, paredes de todo tipo de conducción,

válvulas, codos, ángulos, cambios de sección y orificios de salida, etc.


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CAPTACIÓN

Las obras de captación por derivación a filo de agua, captan el recurso delafluente sin almacenamiento, aprovechando el caudal que hay en el

momento dado.

Estas obras deben cumplir las siguientes condiciones:

• Con cualquier calado del rio deben captar una cantidad prácticamenteconstante de caudal.

• Deben impedir al máximo la entrada a la conducción de material solido,

flotante o en suspensión y hacer que este siga por el cauce.

• Satisfacer las condiciones mínimas de seguridad.

• La obra de conducción debe disponer de una estructura de retención,

que garantice una cota de nivel con cualquier caudal del rio, una obra detoma, para la captación del caudal de diseño, acompañada de una rejilla,

que evita el paso de material solido flotante y una obra de lavado de

material solido en la estructura de retención.


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Embalse

La idea de embalse está suficientemente comprendida, no obstantevamos a hacer las siguientes puntualizaciones.

Un embalse, resulta de almacenar todas las aguas que afluyen del

territorio sobre el que está enclavado, identificado como cuenca vertiente,

con el fin de poderlas encauzar para una adecuada utilización según las

necesidades exigidas por la instalación.

Conviene recordar que se llama cuenca de un río, a la superficiereceptora de las aguas caídas que lo alimentan; bien por el libre discurrir

de éstas sobre el suelo, proceso de escorrentía inmediata, o por

infiltraciones. Dicha superficie se mide en kilómetros cuadrados (km2),

referidos a la proyección horizontal de la misma.


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Capacidad útilSe refiere a la capacidad de agua embalsadapor encima de la entrada de agua hacia la

central.

En definitiva, se trata del volumen de agua

disponible para cubrir la demanda de la

instalación para la que se destina el embalse.

Capacidad totalTotalidad del volumen de agua acumulada, es

decir, la útil más la no utilizable.

La capacidad de un embalse, se expresa en:

Metros cúbicos (m3).

Hectómetros cúbicos (hm3).

En todo embalse existen pérdidas de agua,

debidas a causas naturales, como son la

evaporación producida en la superficie y las

filtraciones originadas a través del terreno.


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PRESAEs una construcción que se alza

sobre el suelo del rio y perpendicular

a su dirección, para que permita la

derivación o el almacenamiento del

agua.Dependiendo de las características

orográfica y de su emplazamiento,

se escogerá entre una configuración

u otra.

Presa es toda estructura que actúacomo barrera, interrumpiendo la libre

circulación del agua a través de sus

cauces normales, dependiendo su

configuración de la orografía del lugar

de asentamiento.


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Se construyen para conseguir una doble finalidad:

1. Obtener una elevación del nivel del agua, formandoun desnivel en el cauce de un río, que hemos

denominado salto. Cuanto más elevada sea la altura de

éste, mayores podrán ser las potencias obtenidas en la

central alimentada por el mismo.

2. Crear un depósito, de grandes dimensiones, paraalmacenar y regular la utilización del agua,

constituyendo en definitiva el embalse propiamente

dicho, cuya capacidad de volumen de agua embalsada

está en función de las alturas de agua alcanzadas.

Una de las principales aplicaciones, para la que se

destinan las presas, es la producción de energía

eléctrica, si bien se utilizan en otras funciones vitales,

como son el abastecimiento de agua a poblaciones,

riegos, regulación y distribución de caudales en

determinadas cuencas, etc.


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Clasificación de las presaLas presas se dividen según la aplicación

de las mismas, los materiales empleados.

Según la aplicación:

Presas de derivaciónLa presa de derivación o barraje tiene por

objeto levantar el nivel del agua en la

toma, a fin de garantizar la derivación

requerida, aun durante los mayores

estiajes, y proteger el lugar de la

derivación para evitar interrupciones delservicio por erosión durante las grandes

riadas.


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Presas de embalseEsta presa, además de obtener

elevación del nivel del agua para

producir un salto, tiene por objeto el

almacenamiento de agua para la

regulación del caudal. Por lo generalno están dispuestas para que las

aguas viertan por encima, sino que

tienen construcciones laterales,

denominados aliviaderos de

superficie que sirve para devolver elagua excedente al cauce del rio

aguas debajo de la presa.


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Según los materiales empleados:

Presas de materiales sueltos o presasde tierra.El terrero requerido para su construcción

debe ser de gran impenetrabilidad al agua.

Esto se logra mediante una pantallaimpermeable en el paramento de aguas

arriba (superficie en contacto con el agua).

Presas hormigón.Se trata de presas construidas con

hormigón en masa, cemento y grava

exclusivamente. Existen otras que utilizan

hormigón armado, mediante barras de

acero. Actualmente, es la forma mas

utilizada en la construcción de presas.


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• Presa y Compuertas


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• Para el proceso de generación seutilizan las compuertas deregulación donde se aprovechaun caudal de 82 m3/seg. paraobtener los 150 MW.

• Para el sistema de control de lascompuertas en la toma Tulumayo

tenemos varios niveles demando:• Local manual (desde las

electroválvulas en el sistemaOleodinámico)

• Local centralizado (con lospulsadores del tablero de mandoconvencional)

• Local Automático (desde el paneldel PLC)

• Remoto (desde la Casa demáquinas)


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TOMA DE AGUA

Son construcciones cuya función

principal es la captación de una

cantidad constante de agua, sobre

todo en época de estiaje, lo cual

permite el ingreso del agua en el

conducto que la lleva hacia lastuberías forzadas.

Estas tomas además de una

compuertas para regular la cantidad

de agua que llega a las turbinas,

poseen unas rejillas metálicas que

impiden que elementos extrañoscomo troncos, ramas, etc., impiden

llegar a los álabes y producir

desperfectos.


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ALIVIADEROS

Los aliviaderos o vertederos son estructuras que facilitan la

evacuación de caudales de agua excedentes o superiores a los

que se desea captar. Durante las crecidas, los caudales

excepcionales serán evacuados por los vertederos. Si dichos

caudales llegan a ingresar en el sistema podrían generar

problemas de imprevisibles consecuencias.

Los aliviaderos cumplen de esta manera, una valiosa función de

protección y seguridad


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Desarenador El desarenador es una obrahidráulica, que sirve para sedimentar

partículas, de material

solido suspendidas en el agua, de la

conducción.

Las partículas se mantienen en

suspensión debido a que la velocidad

de entrada en la bocatoma es elevada

y suficiente para arrastrar partículas

solidas; en especial durante las

crecidas puede entrar gran cantidadde sedimentos.


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La velocidad del agua en el desarenador depende del ancho (B) y alto (H) del

mismo.

Para la decantación apropiada de las partículas que trae el agua, su velocidad

tiene que estar en el rango de :(0,2m/s < V > 0,3m/s)

La longitud del desarenador se calcula con la siguiente formula:

L= ( V. H. td) . Fs


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Al no disponer de esta obra genera danos en las obras,

algunos de ellos son:

• Disminución de la sección de la conducción (canal) por sedimentación;

esto conlleva a aumentar el mantenimiento de la obra.

• Disminución de la capacidad del tanque de carga por acumulación de

material solido, debido a la sedimentación, ocasionada por la baja velocidad

existente en esta obra.• Cuando mayor es la velocidad de las partículas, estas desgastan mas

rápidamente la tubería y las turbinas, disminuyendo considerablemente su

vida útil.

El propósito del desarenador consiste en eliminar partículas de material

solido suspendidas en el agua de la conducción. Estas están suspendidasen la conducción por la velocidad del agua, para que ellas se decanten se

disminuye su velocidad,


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• Compuerta de sedimentación.

• Transición de entrada

• Transición de salida o vertedero.

• Cámara de sedimentación.

• Compuerta de purga.

• Canal directo.


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6. COMPUERTAS

Las compuertas se utilizan para cerrar las conducciones de agua, así

como para regular el caudal de esta en dichas conducciones. En los

aprovechamientos hidroeléctricos, las compuertas se sitúan en las

tomas de agua, en los desagües de fondo, en los canales de

derivación, etc.

Las compuertas utilizadas en todos los sitios indicados son de las

mismas características constructivas; únicamente hay que tener en

cuenta que las compuertas sometidas a grandes presiones ( por

ejemplo, en las tomas de agua) habrán de ser de construcción mas

robusta.


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COMPUERTAS REPRESA TULUMAYO

Clapeta 125 m3/seg

Clapeta 1 Compuerta

Radial de

Superficie 1

240 m3/seg

Compuerta

Radial de

Superficie 2

240 m3/seg

Compuerta

Radial de

Superficie 3

240 m3/seg

Clapeta 1

Compuerta

Radial de

Fondo

1

350 m3/seg

Clapeta 2

Compuerta

Radial de

Fondo 2

350 m3/seg

Compuerta

Radial de

Fondo 3

350 m3/seg

Desgravador 12 m3/seg

Compuerta

de

Regulación 2

Compuerta

de

Regulación 1

M220 VACSistema

Oleohidrá

ulico 1

Sist. De

Control

ALIVIADERO N° 1 ALIVIADERO N° 2

DC

Casa

M áquinas

M220 VACSistema

Oleohidrá

ulico 2

Sist. De

Control

DC

Casa

M áquinas

1329.00

1314.00

1323.50


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Cámara de carga

Por sus características, la cámara de presión son estructuras que unen unsistema de baja presión con uno de alta presión, caracterizados por tener

velocidades diferentes. Bajo estas condiciones, ellos deben ser

dimensionados para condiciones

criticas de operación, que son: el arranque rápido y la parada brusca;

momentos en los cuales cambia la velocidad del caudal, originando ondas

de oscilación que pueden ser positivas o negativas “golpe de ariete”; yafecta directamente la galería de presión. Por tal motivo deben ser

amortiguadas en la cámara de presión.


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CANALES, TUNELES Y GALERIAS DE

CONDUCCIONEstas denominaciones se emplean para referirse a lasdiferentes clases de conductos artificiales, construidos

para conducir el agua desde la toma de captación

hasta el comienzo de la tubería forzada, según el tipo deinstalación.

Canal de derivación

En las centrales hidroeléctricas de pasada se utilizancanales de derivación para conducir el agua desde la

obra de toma hasta la cámara de carga.


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Túneles y galerías de aducción

Toda derivación para una centralhidroeléctrica, tomada desde un

embalse, se hace por tuneles o

galerías a presión, que conducen

en agua desde la toma en la presa

hasta la chimenea de equilibrio. Lostúneles y galerías constituyen

conductos cerrados subterráneos

que toleran la presión del agua, la

cual origina el desplazamiento de

liquido, con independencia de las

pendientes, descentende o

ascendentes. La construcción de

todos estos conductos suele ser de

hormigón en masa o armado.


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CHIMENEA DE EQUILIBIRIOUna chimenea de equilibrio

debe estar situada el trayecto

de la tubería lo mas cerca

posible de las turbinas. En

toda instalación que esteconstituida por una galería de

presión y que termine en una

tubería forzada que conduce

el agua a las turbinas, se

construye al final de lagalería una chimenea de

equilibrio, que es, en esencia,

un pozo vertical o inclinado

abierto por la parte superior.


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CHIMENEA DE EQUILIBIRIOUna chimenea de equilibrio

debe estar situada el trayecto

de la tubería lo mas cerca

posible de las turbinas. En toda

instalación que este constituidapor una galería de presión y

que termine en una tubería

forzada que conduce el agua a

las turbinas, se construye al

final de la galería una

chimenea de equilibrio, que es,

en esencia, un pozo vertical o

inclinado abierto por la parte

superior.

a Callahuanca

Presa ShequeVálvula Mariposa

Casa deMáquinasCaverna

Presa Huinco

Túnel de Aducción

Tuberíade Presión

Entrada Caverna C.H.Huinco

Central

Huinco247,3 MW


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CHIMENEA DE

EQUILIBIRIOTiene por objeto

menguar, al máximo, las

consecuencias

perjudiciales que

originan los golpes deariete.

Golpe de ariete positivo

(sobrepresión).

Golpe de ariete negativo

(sub-presión).


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GOLPE DE ARIETE

Se denomina golpe de ariete a la variación de

presión en una tubería forzada, por encima o por

debajo de la presión normal de trabajo,

provocando por el cierre o apertura rápida de las

válvulas. La acción del golpe de ariete puedeatenuarse o incluso impedirse si se acciona lenta,

y de manera progresiva, las válvulas y,

principalmente, a través del emplazamiento de

chimeneas de equilibrio o cámaras de carga, deacuerdo con la configuración de las centrales. Se

diferencias golpes de ariete positivos y golpes de

ariete negativos.


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