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ANEXOS
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ANEXO I
EXMENES Y PRCTICAS
PRIMER EXAMEN PARCIAL ELT 3611 CENTRALES
ELCTRICAS
1.- Determinar la precipitacin promedio sobre el rea de la figura
aplicando el mtodo de Thiessen Suponer cada cuadrado de la figura igual a
un kilmetro cuadrado. (25%)
18 mm 15 mm 17 mm
19 mm
13 mm 12 mm
2.- Deduzca las dimensiones ptimas para un canal de seccin rectangular.
(25%)
3.- Mencione los diferentes mtodos que existen para la medicin de la
precipitacin. (10%)
4.- Explique que es una chimenea de equilibrio y para que sirve. (10%)
5.- Mencione 5 de los proyectos inventariados por ENDE que no se
encuentren en funcionamiento. (10%)
b
y
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CENTRALES ELCTRICAS
362
6.- Cules son las funciones de la cmara de carga. (10%)
7.- Qu son los pluvimetros y los pluvigrafos y cul es su diferencia
(10%)
SEGUNDO EXAMEN PARCIAL ELT 3611 CENTRALES
ELCTRICAS
1.- Explique el fenmeno de la Cavitacin (10%)
2.- Explique el funcionamiento del siguiente regulador cuando la carga
disminuye. (10%)
3.- Describa y explique el funcionamiento de la turbina de flujo cruzado
(10%)
4.- Cmo se regula el caudal en una turbina Francis. (10%)
5.- Una tubera de fundicin tiene las siguientes dimensiones L = 487 m, e = 12 mm, D= 1,17 m La velocidad en la tubera es V1 = 5,6 m/seg el caudal
es de 2,85 m3/seg. y la altura de carga es de 340 m. Determinar a) El tiempo
de cierre mnimo para que la sobrepresin al final de la tubera no exceda
del 60% de la presin esttica. b) El tiempo en el cual se produce la presin
mxima c) Cul ser la mxima presin que se producir al final de la
tubera si el tiempo de cierre es de 1,85 seg. d) La sobrepresin si el cierre se
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ANEXOS
363
produce en 0,8 seg. e) Qu depresin se producir cuando se abra el
distribuidor de la turbina en un tiempo de 3,3 seg., cuando la turbina se
encuentra trabajando al 50 % de la plena carga.
EXAMEN FINAL ELT 3611 CENTRALES ELCTRICAS
1.- Cuando faltan los datos de una estacin, siempre se puede estimar el
valor de la precipitacin tomando el promedio de las tres estaciones ms
cercanas.
Falso porque
.........................................................................................................................
..........
Verdadero porque
.........................................................................................................................
..........
2.- El mtodo de RIPPL sirve para
.........................................................................................................................
.........
3.- Se llaman isoyetas a las curvas que representan el mismo nivel de
descargas atmosfricas
Falso, porque
.....................................................................................................................
.........
Verdadero, porque
.........................................................................................................................
.........
4.- El valor exacto del voltaje generado por el estator es controlado por:
.........................................................................................................................
..........
5.- Para evitar el calentamiento de las chapas del estator por corrientes
parsitas o de Foucault se debe
6.- Puesto que la tensin de un alternador debe mantenerse constante la
intensidad del flujo del campo giratorio es constante
a) verdadero b) falso c) no se puede determinar d) Ninguna
alternativa.
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CENTRALES ELCTRICAS
364
7.- Un Pluvigrafo registra la precipitacin instantnea y no permite la
lectura de la misma en cualquier momento posterior.
a) Falso b) Verdadero c) ................................. d) Ninguna
alternativa
8.- El desgaste de las piezas metlicas que estn en contacto con el agua se
debe a:
.........................................................................................................................
..........
9.- La turbina turgo es una turbina de reaccin
a) Falso b) Verdadero c) ..................................d) Ninguna
alternativa
10.- Cuales son las diferencias entre una turbina a gas y una turbina de vapor
.........................................................................................................................
..........
11.- El nmero de labes de una turbina Pelton depende de la frmula
152
a
DN
d , por tanto, es menor cuanto menor es el caudal.
Falso porque
.....................................................................................................................
.........
Verdadero porque
.........................................................................................................................
.......
12.- Las represas de bveda se instalan con preferencia en lugares de
paredes rocosas y gargantas estrechas .
Falso porque
.................................................................................................................
Verdadero porque
.....................................................................................................................
.........
13.- La eficiencia de las turbinas trmicas es mejor para las centrales de ciclo
combinado
Falso Verdadero
.............................................................................
14.- Es conveniente y factible generar la energa elctrica con factor de
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ANEXOS
365
potencia unidad
Falso porque
.........................................................................................................................
........
Verdadero porque
.....................................................................................................................
.........
15.- Escriba los nombres de cinco partes de una central trmica de vapor
.........................................................................................................................
..........
16.- El rel diferencial permite proteger contra cortocircuitos entre espiras
Falso porque
.....................................................................................................................
.........
Verdadero porque
.....................................................................................................................
.........
17.- En una pequea instalacin de generacin elctrica, a pesar de existir
variaciones de carga se puede generar a potencia constante. Cuando la carga
baja, el excedente de energa se utiliza para calentar el agua de una piscina
Falso porque
.....................................................................................................................
.........
Verdadero porque
.....................................................................................................................
.........
18.- Qu es el mantenimiento correctivo?
.........................................................................................................................
..........
19.- Se puede adaptar una turbina de avin para generar energa elctrica en
una central trmica a gas
Falso porque
.....................................................................................................................
.........
Verdadero porque
.....................................................................................................................
.........
20.- Escriba los cuatro tiempos del motor diesel
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CENTRALES ELCTRICAS
366
.........................................................................................................................
..........
21.- Seale 3 aspectos a controlar o reparar en el mantenimiento de una
tubera
.........................................................................................................................
........
22.- Una turbina de vapor puede trabajar quemando diferentes clases de
combustible el cual es mezclado con el vapor para impulsar la turbina
a) Falso b) Verdadero c) N.A.
23.- En una inspeccin del banco de bateras se ha constatado lquido
insuficiente por evaporacin. Se debe:
a) Aadir agua acidulada b) Aadir cido sulfrico c) Aadir agua
destilada.
24.- Una central trmica de ciclo combinado utiliza los gases de combustin
de la turbina a gas para calentar el agua de una turbina de vapor.
a) Falso b) Verdadero c) N.A.
25.- Un rotor ha adquirido humedad despus de efectuar un mantenimiento.,
el mismo se puede poner en funcionamiento sin necesidad de secarlo puesto
que la temperatura normal de funcionamiento de un generador es elevada y
secar el rotor cuando empiece a trabajar
a) Falso b) Verdadero
26.- En una turbina de vapor se puede recalentar el vapor luego que ste
atraviesa la turbina para volver a utilizar el vapor
Falso porque
..................................................................................................... Verdadero porque
............................,,,,,,,,,,,,,,,,,,,......................................................................
27.- Escriba 9 nombres de centrales elctricas que se encuentran trabajando
en Bolivia.
...................................................
28.- Si se da al canal de aduccin una inclinacin mayor para aumentar la
velocidad del agua en el canal se ahorra en seccin, por tanto el canal resulta
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ANEXOS
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ms econmico aunque se disminuye el salto til, por tanto, no es
conveniente dar mucha inclinacin al canal
a) Falso b) Verdadero c)..
29.- Por qu se comprime el aire de entrada en una turbina a gas
.........................................................................................................................
..........
30.- Dibuje la forma de la seccin del chorro de agua que impacta en la
turbina de Flujo Cruzado.(Corte transversal del chorro, no del rodete)
31.- Por qu se divide el chorro de agua de una turbina Pelton en dos, tres
o ms toberas.?
.........................................................................................................................
32.- Es conveniente que la temperatura del aire de entrada de una turbina a
gas sea la ms elevada posible
a) Falso porque
..................................................................................................... b) Verdadero porque
.......................................................................................... 33.- Seale el valor de para =1,4 y = 2,6 en caso de sobrepresin debida al golpe de ariete.
Respuesta...................
34.- En una tubera que trabaja con H=388 m y carga parcial se ha
determinado
= 2 = 3 Cul es la depresin obtenida? Respuesta ....................
TRABAJOS PRCTICOS
PRCTICA N 1
1. Investigue y explique el funcionamiento de una Central Maremotriz
2. Investigue y explique el funcionamiento de una chimenea de
equilibrio o pozo piezomtrico.
3. Investigue como funcionan la Plantas Hidroelctricas de
acumulacin de Bombeo
4. Explique los siguientes conceptos: Potencia instalada. Factor de
carga. Factor de demanda. Factor de instalacin. Utilizacin anual.
Factor de utilizacin. Factor de reserva. Reserva Rotante, Reserva
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CENTRALES ELCTRICAS
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Fra.
5. Explique qu es un ariete hidrulico y como funciona.
PRCTICA N 2
Utilizando el mtodo de Thiessen y el mtodo de las Isoyetas, determine la
precipitacin promedio sobre las siguientes reas (Considere que cada lado
de los cuadrados tiene 4 Km. y que las precipitaciones estn dadas en mm):
a)
16
13
17
14 9
b)
7 5
11
10 6
9
2.-Suponga una tubera de acero de L=805 m, dimetro de 1,4 m, espesor
de 16 mm. Trabaja bajo una altura de carga de 510 m y un caudal de 12
m3/seg. La velocidad de rgimen es de 18 m/seg. Determinar a) La depresin
que se obtendr cuando se abra el distribuidor en 1,2 seg para un caudal de
0,5 de la plena carga. b) El tiempo de cierre mnimo para que la
sobrepresin al final de la tubera no exceda de 800 m de columna de agua.
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ANEXOS
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3.- Una tubera de fundicin est compuesta de dos tramos el primero tiene
una longitud de 255 m dimetro de 90 cm y espesor 12 mm, el segundo
tramo hacia arriba tiene una longitud de 344 m dimetro de 98 cm y espesor
de 10 mm. Trabaja con una altura de carga de 500 m y un caudal de 5,2
m3/seg. La velocidad de rgimen en la tubera es como promedio 7 m/seg.
Determinar:
a) El tiempo de cierre mnimo para que la sobrepresin al final de la tubera
no exceda de 300 m de columna de agua y el tiempo que demora en
producirse la sobrepresin indicada
b) La mxima presin que se producir al final de la tubera si el tiempo de
cierre es de i) 2 seg ii) 3 seg
c) La depresin que se obtendr cuando se abra la aguja de la tobera en un
segundo para un caudal del 55 % de la plena carga.
4.- Resolver el problema anterior si la tubera es de acero y la altura de carga
disminuye a 445 m con una velocidad promedio de 4,8 m/seg. (los dems
datos se mantienen iguales).
PRCTICA N 3
1. Haga una investigacin acerca de la construccin de tneles para su
aprovechamiento en instalaciones hidrulicas.
2. Explique e investigue acerca de la generacin de Potencia
Reactiva y su regulacin en un generador
3. Investigue de cuntas formas se efecta la ventilacin de los
generadores.
4. Explique cmo se efecta el reparto de la carga de la red entre
dos generadores que trabajan en paralelo.
PRCTICA N 4
Haga un resumen manuscrito del Anexo 2 ABRASIN EN LA
MAQUINARIA DE CENTRALES HIDROELCTRICAS en un
mnimo de 5 pginas
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CENTRALES ELCTRICAS
370
ANEXO 2
ABRASIN EN LA MAQUINARIA DE CENTRALES
HIDROELCTRICAS
Autores: Herbert Grez, Andreas Schacheamann (Sulzer Ibnotec)
La explotacin intensificada de la fuerza hidrulica incrementa la bien
conocida erosin hidroabrasiva de las turbinas e instalaciones de centrales
hidroelctricas. Esta erosin hidroabrasiva debe minimizarse a nivel
mundial. Mientras que en las centrales hidroelctricas ya existentes las
contramedidas que se toman tienen un carcter limitado, los nuevos
proyectos de instalaciones ofrecen mltiples posibilidades para dominar el
efecto de la abrasin. Desde hace muchos aos, Sulzer como consorcio
tecnolgico con obligaciones en todo el mundo, viene realizando numerosos
esfuerzos en la colaboracin con los clientes, divisiones de producto y
departamento de investigacin central, al objeto de vencer de modo efectivo
la abrasin. A estos esfuerzos se ha unido el Fondo Nacional de
Investigacin de Energa, con una participacin financiera para la
investigacin de la abrasin.
Fig. 1 Daos ocasionados por las partculas slidas en el agua
Desde los comienzos del aprovechamiento de la energa potencial del agua
glaciar en los pases alpinos, se vienen produciendo daos por erosin
hidroabrasiva que perjudican la disponibilidad de las instalaciones de las
centrales hidroelctricas.
La tendencia al ahorro de los costos en los ltimos aos, que se traduce en la
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ANEXOS
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adquisicin de mquinas cada vez ms pequeas y de mayor nmero de
revoluciones, en la explotacin de saltos ms altos, as como en las
crecientes ampliaciones y construcciones de presas en regiones montaosas
como los Andes o el Himalaya, ha conducido tambin a un aumento de la
erosin por abrasin. Estamos obligados a tomar medidas para minimizar la
erosin por abrasin. En las centrales hidroelctricas existentes, las medidas
que se toman se limitan simplemente a la sustitucin de los componentes
ms resistentes por otro material o bien utilizar recubrimientos ms
resistentes a la abrasin. Como la erosin por abrasin representa una de las
caractersticas de sistema controlada por numerosas magnitudes de
influencia si no es la simple caracterstica del material, las medidas
nicamente basadas en los materiales tan slo ofrecen mejoras limitadas. En
muchos casos, sin embargo, conducen a una disponibilidad satisfactoria de
las instalaciones.
Un tratamiento posterior del agua por sedimentacin mejorada puede reducir
a veces la erosin por abrasin. Tambin ha dado buen resultado el absorber
las capas superiores de agua con menos materia slida y partculas ms
pequeas.
Actualmente, se ofrecen mltiples medidas de ingeniera y de proceso en
instalaciones nuevas en proyecto. Con las medidas adecuadas la abrasin se
puede dominar de tal manera que las instalaciones puedan alcanzar una alta
disponibilidad por muchas dcadas, con gastos de mantenimiento
razonables. Esto requiere de una estrecha colaboracin entre proyectistas y
diseadores, explotadores futuros, institutos de financiacin y
suministradores.
Entre los usuarios de las centrales hidroelctricas tambin se perfila la
tendencia a conseguir garantas de abrasin, que son habituales como
procedimiento obligatorio en las recomendaciones del IEC (International
Electrotechnical Commission), en el caso de los daos de cavitacin.
Por parte de la central, esto requiere un conocimiento y control de la
cantidad de substancias slidas, a veces muy variable en su tipo y
composicin, as como de informaciones sobre el manejo de las mquinas.
En lo que se refiere a la maquinaria, el diseador debe poseer un extenso
Know How de los mecanismos de los daos y los parmetros que pueden
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CENTRALES ELCTRICAS
372
influenciar en los mismos. Las tareas del ingeniero abarcan los campos de
fsica hidrodinmica, geologa, ciencias del material, construccin tribologa,
simulacin de procesos y entre otros ms una serie de de campos cientficos
especiales, que llegan a dar resultados eficientes tan slo con la estrecha
colaboracin de los especialistas.
MORFOLOGA DE LOS DAOS EN CENTRALES
HIDROELCTRICAS
La erosin por abrasin que se presenta en centrales hidroelctricas se
origina por agua que contiene entre algunos pocos cientos de gramos y kilos
de substancias slidas. En general se trata de rocas finamente molidas por la
erosin y el transporte y su tamao oscila entre algunos pocos y 100 m de dimetro. No obstante existen fenmenos climatolgicos o geolgicos de tal
magnitud que cargan algunos ros con hasta 350 kg/m3, lo que equivale a
un transporte de lodo. A menudo la sustancia slida se compone de barro
finsimo de poca agresividad, los daos de mayor magnitud observados hasta
ahora se produjeron frecuentemente por aglomeraciones de sustancias
slidas condicionadas por las estaciones, de entre 1 a 5 kg/m3, que eran
predominantemente pedazos de cuarzo del tamao de 50 a 300 m, como suelen aparecer durante el deshielo y las lluvias monznicas.
Las formas caractersticas de los daos en los lugares mas propensos a la
erosin dependen de las fuerzas que influyen sobre las partculas slidas.
Entre ellas se cuentan la potencia de arrastre de la corriente, la corriente
relativa entre partculas y lquido exento de sustancias slidas, la
gravitacin y las fuerzas de elevacin en vertical as como la fuerza de
inercia vertical a la aceleracin transversal de las partculas. Daos
perceptibles en las superficies de los componentes de las mquinas aparecen
en aquellos lugares, donde las partculas slidas de mayor dureza se
presionan contra ellas con suficiente alta velocidad y se arrastran a lo largo
de ella. Se producen entonces rascaduras con desprendimiento de materiales.
(fig. 3)
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ANEXOS
373
Fig. 3 Una partcula slida es presionada por la corriente con la fuerza
FpC2/Rw contra una superficie fija y arrastrada a todo lo largo con la
velocidad Vp, con lo que se produce una grieta desprendedora de
material
Las superficies expuestas al ataque de abrasin en los componentes de las
centrales existentes pueden dividirse generalmente en dos tipos: en el rea
de velocidad baja estn las paredes que conducen el agua, de hormign o de
acero no inoxidable, que normalmente est protegido contra la corrosin por
una capa elstica de varios milmetros de espesor.
En el rea de velocidad alta, es decir en los dispositivos distribuidores y
rodetes, las superficies son de acero brillante, preferentemente de martensita
blanda resistente a la corrosin. La Austerita y los aceros de manganeso no
inoxidables poseen la resistencia a la corrosin muy inferior.
En velocidades relativas bajas, fuerzas de presin inferiores (pocos cambios
de direccin de la corriente) y poca masa de partculas, la energa de
destruccin es menor que en el choque o bien en el arrastre, quedando
posiblemente absorvida por la elasticidad de la superficie del material de
las mquinas. Debido a las velocidades inferiores no se presentan daos de
abrasin en los tubos conductores (tuberas de impulsin) y en tuberas
circulares as como en espirales de superficies suficientemente
dimensionadas.
Siguiendo la direccin de la corriente aparecen ahora nervios o paletas de
apoyo, que en determinados casos desempean la funcin de gua de
corriente. Aqu, segn la diferencia de la dureza y velocidad relativa se
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CENTRALES ELCTRICAS
374
esperan daos muy reducidos y hasta sin importancia en los bordes de
entrada, en la periferia, posiblemente tambin en sus superficies.
Fig 4 Aguja de tobera erosionada Fig 5 Anillo de tobera Pelton
desgastado
En las superficies de los tubos conductores de las turbinas, en las que la
velocidad de la corriente aumenta en el sentido de la corriente, aparecen las
tpicas muestras acanaladas de la erosin de la superficie. Las puntas de
tobera (fig. 4) y los anillos de las toberas (fig5) de la turbina Pelton se
desgastan en los puntos de mxima velocidad local y cambio de sentido de la
corriente. Los labes de gua de la mquina radial (fig. 6) muestran en la
mayora de las veces una erosin de superficie tan slo en las superficies que
estn cara al rodete. A ello se une una serie de efectos secundarios. Por una
parte es la corriente de separacin que, entre las caras frontales de los labes
mviles y la contratapa firme, produce daos considerables debido a la alta
velocidad relativa (fig. 8) . Por otra parte delante de los bordes de entrada de
los labes, como en la periferia del anillo de proteccin, puede observarse
una formacin de un crter (fig. 9), tambin llamado efecto pilar, cuyo
origen de buscarse en la formacin de remolinos. Estos remolinos en forma
de herradura se observan en todos los cortes de pilares, perfiles, barras, etc.
Con paredes llanas. (fig. 10)
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ANEXOS
375
Fig. 6 Superficies de abrasin en la cara anterior de un labe directriz
de una turbina Francis de acero inoxidable
Socavados de tal origen se hallan tambin en los bordes de entrada de ruedas
radiales. Los Canales de los rodetes mismos presentan huellas de erosin de
superficie (fig. 12 y 13), que difieren en uniformidad segn la respectiva
velocidad del lugar y el cambio de direccin.
Fig.8 Abrasin en el anillo inferior Fig.9 Formacin de crter delante
de la rueda directriz del borde de entrada del labe
Erosin progresiva del material en superficies, bordes de entrada, paredes
laterales, etc. Provocan una superposicin recproca de los daos
individuales, por la que pueden surgir retrasos y adelantos adicionales con
determinadas formaciones de remolinos, que finalmente acaban con la
destruccin total del componente de la mquina (figs. 13 y 14).
Asimismo, son importantes los daos de abrasin ocasionados en las juntas
labernticas (fig.15), cuyas alteraciones geomtricas no slo aumentan las
perdidas por fuga, sino que tambin alteran la fuerza axial hidrulica que se
ejerce sobre el rotor y con ello la carga del soporte de empuje. Por
consiguiente, existe un gran inters por formas y materiales de laberinto de
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CENTRALES ELCTRICAS
376
mayor resistencia abrasiva.
Fig 10 Corriente de interseccin en el borde de entrada con una pared
lateral, mostrada aqu con el ejemplo de un cilindro
Fig. 12 Superficie de abrasin en la Fig.13 Sup. Abrasin en
cangiln Pelton
parte de aspiracin del labe y
corona del labe de turbina Francis
CRITERIOS PARA EL PROYECTO DE INSTALACIN
Si antiguamente las centrales hidroelctricas se planificaban y optimizaban
para agua limpia como lquido de funcionamiento, basndose solamente en
una determinada cantidad de agua y una determinada altura de salto, sin
considerar los posibles daos de abrasin, en el futuro merecer asimismo
llevar a cabo el anlisis de las propiedades de las sustancias slidas.
El tratamiento primario de la erosin comienza por la sedimentacin en los
depsitos de retencin, que requieren un lavado adecuado, puesto que de no
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ANEXOS
377
ser as, tarde o temprano, los sedimentos.colmatan el depsito Las enormes
cantidades de material transportadas por los ros tropicales en los periodos
monznicos, `por ejemplo, se previenen con desarenadotes de lavado
continuo, que ante todo separan partculas de un tamao de 0,3 mm.
Fig.14 Daos totales en una rueda Pelton como consecuencia de una
reduccin progresiva del grosor de la pared por abrasin
La comparacin de los anlisis granulomtricos de diversos afluentes de
centrales hidroelctricas, indican las caractersticas comunes, siendo los del
Himalaya los que muestran una tendencia a una arena ms gruesa.
CUNTAS TURBINAS Y DE QUE TIPO?
Para la planificacin de una central misma es prioritario llegar a un acuerdo
acerca del nmero de mquinas. Para ello es necesario compaginar el
volumen de inversin, con la disponibilidad de una reserva mnima, en caso
de que faltara una unidad, y la exigencia de un funcionamiento ms o menos
ptimo de las mquinas en peligro de abrasin. La seleccin del tipo de
mquina se efectuar segn el rea de aplicacin condicionada por la
hidrodinmica y la resistencia de los diferentes modelos de construccin, en
funcin de la altura de salto, es decir, por ejemplo, turbinas axiales para el
mbito de mxima presin. En los mrgenes de la altura de salto, en las que
coincide la aplicacin de los dos modelos, puede tomarse la decisin por
otros criterios.
Las mquinas radiales parecen ser muy propensas a la erosin, puesto que el grado de rendimiento de la turbina reacciona de
manera especial y con gradiente empinado a aumentos de juego
entre los labes y sus anillos protectores. No obstante, el agua
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CENTRALES ELCTRICAS
378
arenosa tambin reduce el grado de rendimiento de las mquinas no
erosionadas en proporcin al contenido de las sustancias slidas.
La cavitacin debe evitarse o bien reducirse al mnimo, puesto que el efecto simultaneo de abrasin y cavitacin produce una
potenciacin recproca de los mecanismos dainos. Por un lado, las
partculas slidas incrementan la capacidad de evaporacin local del
lquido y favorecen la cavitacin. Por el otro, la erosin provoca que
la geometra de los bordes de entrada empeoren hacia una mayor
sensibilidad a la cavitacin. A su vez si el agua contiene substancias
slidas, la distribucin de la presin de un perfil cavitante se altera
de tal modo que la zona de cavitacin pueda aumentar.
El proceso de erosin se acelera considerablemente, si por razones de
cavitacin de las superficies de los perfiles, estn rayadas, o bien, socavadas
como un corcho, puesto que las islas de material que sobresalen en la
corriente estn expuestas a un desgaste erosivo mucho mayor que las
superficies lisas.
Los costos de construccin para centrales hidroelctricas equipadas con
turbinas Francis pueden incrementar por la exigencia de una cota de
instalacin conservadora baja que evite cavitaciones.
Otro criterio para la seleccin del tipo pueden ser las posibilidades de recambio o reparacin de piezas en la mquina desgastadas que
aqul ofrezca. En el margen de coincidencia Francis/Pelton este
argumento habla claramente a favor de la mquina Pelton, cuyas
piezas desgastadas son de rpida sustitucin, si se comparan con el
procedimiento aparatoso en las turbinas Francis. A ellos e une la
posibilidad de reparacin ms simple del soldar.
Un inconveniente de la turbina Pelton es, sin embargo, la mayor inversin
inicial causada por las revoluciones inferiores del grupo de mquinas. Por
ello tambin pueden resultar encarecimientos en la construccin. No
obstante, su curva caracterstica de rendimiento ms llana indica que la
prdida energtica queda ms que compensada debido a la altura libre entre
la turbina Pelton y el nivel inferior.
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ANEXOS
379
CRITERIOS DE TCNICA MECNICA
Si bien en el transcurso de la planificacin de las instalaciones, el
constructor ha seleccionado el modelo de construccin, potencia unitaria y
revoluciones, aun le restan una serie de opciones que elegir, para configurar
las mquinas con bajo grado de abrasin. Los criterios del proyecto debern
aclararse previamente con el futuro usuario y responsable de la inversin.
Del mismo modo que en el planeamiento de las instalaciones, debe
examinarse si se prefiere una inversin inicial inferior, excluyendo en la
evaluacin los trabajos de mantenimiento, o si es preferible realizar un
clculo de gastos total para un tiempo determinado como base decisiva.
DIMENSIONAMIENTO Y COSTRUCCIN
Desde el punto de vista de la fsica, las secciones transversales de las piezas
conductoras de corrientes de agua, como las tuberas de impulsin, los
rganos de cierre, las espirales y entradas, y las dimensiones tanto de la
turbina directriz como de las toberas, debern elegirse de tal magnitud, que
los daos por erosin en los materiales se mantengan en un mnimo, bajo las
condiciones dadas de la corriente. Mientras que en agua de servicio exento
de las sustancias slidas deben tenerse en cuenta los contornos hidrulicos,
las prdidas mnimas de corriente y el rendimiento mximo posible, las
mquinas expuestas a sustancias slidas deben disearse siguiendo criterios
de mnima erosin. Segn se valoren los criterios, esto puede suponer una
leve prdida del rendimiento.
En todo caso, la conduccin de la corriente debe seleccionarse de tal manera
que exista la menor cantidad de cambios de direccin y se eviten
desprendimientos y remolinos, para que dentro de la mquina y de los
rganos de cierre no se formen trampas arenosas que pudieran llenarse de
sustancias slidas. Las grietas circuladas deberan evitarse, obstruirse con
juntas o minimizarse en su largura. En caso de que se disponga de agua
exenta de sustancias slidas, o exista la posibilidad de prepararla
econmicamente, los laberintos o retenes para ejes debern poderse lavar
contra la corriente, en un caso dado slo temporalmente, cuando se
presenten sustancias slidas en gran cantidad.
Los perfiles de los labes de las mquinas radiales y axiales deben disearse
segn el criterio de una distribucin de presin lo ms llana y continua
posible, teniendo en cuenta que por el clculo de las trayectorias de las
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CENTRALES ELCTRICAS
380
partculas slidas pueden resultar condiciones restrictivas para el servicio:
Esto afecta tanto al aspecto de carga como al de altura del salto.
Una exigencia principal a la construccin es el rpido recambio de piezas de
mquinas desgastadas. Aqu deben tenerse especialmente en cuenta aquellos
componentes, en los que aparecen las mayores velocidades relativas o
aceleraciones transversales ms grandes. En comparacin, en las mquinas
Pelton esto es bastante simple y rpido con el cambio del rodete, de la aguja
y del anillo de la tobera.
Para sustituir los collares del laberinto, los labes y sus anillos protectores,
que son las piezas ms afectadas de las mquinas radiales, es necesario
desmontar la mquina entera hasta la espiral, a menudo alojada en
hormign.
El desmontaje del rodete por la parte del generador o por la parte del tubo
aspirante, hace imprescindible el desmontaje de piezas importantes, por lo
que es necesario invertir ms tiempo en el nuevo y esmerado montaje, y en
el reajuste de los juegos deseados y de las piezas de ajuste revisadas.
EL FUNCIONAMIENTO PTIMO MINIMIZA LA ABRASIN
Segn el modo de funcionamiento y de aplicacin se puede ejercer una gran
influencia tanto en los daos locales como en la completa erosin por
abrasin de lavado de una central hidroelctrica. Por ejemplo, para una
central hidroelctrica con mquinas radiales con una potencia suministrada
determinada, la abrasin ser mnima, si la potencia se produce por una o
pocas mquinas. De esta manera es posible obtener un rendimiento ptimo,
lo que produce mnimas prdidas, mnimas velocidades relativas en el
mbito de la corona directriz y ptimos ngulos de ataque de la corriente. En
cambio, el funcionamiento parcial de un mayor nmero de mquinas con la
misma potencia sumada produce velocidades relativas elevadas en la corona
directriz, mayores prdidas de impulso en las rejillas de los labes gua y de
las paletas, y en total un grado elevado de turbulencias. Un efecto anlogo
surge en las centrales hidroelctricas Pelton en las que la velocidad relativa
local no depende o apenas depende de la carga de la mquina. Asimismo, la
frecuencia de contacto de las partculas slidas con la superficie de la
mquina mojada en el mbito de la aguja de la tobera y del rodete influyen
muy poco en el rendimiento de la mquina. No obstante, el reparto del
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ANEXOS
381
rendimiento en una central hidroelctrica en muchas mquinas que trabajan
en servicio de carga parcial, tambin producir un perjuicio integral de la
central que el servicio de pocas mquinas a plena carga.
MECANISMOS DE DAOS Y SU ANLISIS
El proceso de hidroabrasin viene ocasionado especialmente por el
transporte de partculas slidas abrasivas prximas a una pared. Una parte de
las partculas slidas que el agua transporta por una mquina hidrulica
fluyen prximas a la superficie por la fuerza centrfuga: Al chocar contra la
pared se producen contactos con arranque de material que refrenan las
partculas. Los procesos de intercambio turbulentos hacen que las partculas
slidas vuelvan a alcanzar zonas de alta velocidad de corriente, se aceleren y
se disparen nuevamente contra la pared. La investigacin experimental de
este proceso de abrasin exige la reconstruccin del equilibrio de fuerzas de
las partculas slidas que existe cerca de la pared, en relacin a las fuerzas
de capa lmite. De esta manera se podrn realizar comparaciones entre los
resultados experimentales y las afirmaciones tericas sobre el
comportamiento de la abrasin de las `partculas.
La Planta de experimentos SAPHYR (Sandabrasions Prfanlage fr
Hydraulische Radialmaschinen) montada en Sulzer Innotec corresponde en
gran parte a exigencias hechas. El concepto de instalacin de ensayo permite
un rpido anlisis del comportamiento de abrasin de diversos materiales
bajo condiciones equiparables a las instalaciones. Tal como se puede
apreciar en la (fig. 23),la superficie de prueba muestra acanaladuras como
las que aparecen tambin en piezas de mquina erosionadas de una central
hidroelctrica (fig. 6) La gran ventaja que ofrece la instalacin es que los
parmetros de ensayo ms importantes se pueden variar bajo control, lo que
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CENTRALES ELCTRICAS
382
permite cuantificar la influencia de estos parmetros y deducir las
correlaciones que pueden utilizarse en el dimensionamiento de las mquinas.
Fig. 23 Parte del estator erosionado con Fig. 24 rea de
ensayo bajo el
Pruebas de material microscopio
electrnico
CONDICIONES DE ENSAYO
La seccin transversal por la instalacin de ensayo (fig 22) ilustra el
principio del funcionamiento. Una bomba se ocupa de que agua mezclada
con arena corra por una rendija entre el rotor en funcionamiento rpido y el
estator equipado con las pruebas de material (fig. 23). Se va formando una
corriente de Couette, en la que las partculas slidas se transportan a la
superficie de las pruebas de materia para originar all una erosin por
abrasin. El uso de tres partes con radios diferentes permite variar la
velocidad caracterstica y las fuerzas centrifugas variando con ello tambin
la intensidad de abrasin. Tal como se muestra en la figura 25, debe
separarse el agua arenosa de las reas de los cojinetes mediante una junta de
retencin del agua. El agua fresca necesaria diluye la concentracin arenosa
en el circuito condicionando la disposicin de un rebosadero. Para que la
concentracin. Para que la condicin arenosa pueda mantenerse constante,
se aade continuamente arena al circuito garantizndose al mismo tiempo el
intercambio de arena. La arena que circula en el circuito procede de la
entrada de una central de grupo de hidroelctricas Grande Dixence (Suiza)
(fig. 24), y por supuesto tambin se redondea oir efectos de ka erosin,
debiendo ser sustituida continuamente (fig. 25).
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ANEXOS
383
Los datos de funcionamiento seleccionados para la mquina permiten una
aceleracin esencial del proceso de abrasin frente a los ensayos en
instalaciones. En la ltima fase se alcanza una velocidad de 80 m/seg en el
centro de la grieta, con unas revoluciones del rotor mximas de 22500 min-1
,
lo que significa una aceleracin centrfuga de 8600 g. Estos valores
solamente se alcanzan en instalaciones Pelton con elevada cada. Al mismo
tiempo se experimenta en la instalacin de ensayo con una concentracin de
arena de 1 a 7 kg/m3. Segn los resultados obtenidos en medidas continuas
de contenidos de arena en centrales hidroelctricas (fig 25), estos valores son
tan slo alcanzables en pocos das del ao. Por ello los valores de abrasin
que se miden en las hidroelctricas durante un ao pueden obtenerse en la
instalacin de ensayo entre 10 y 20 horas: Un anlisis de dimensionamiento
ha demostrado que los parmetros caractersticos del material de pared, las
caractersticas de material y composicin de la arena, la velocidad de
corriente, el radio de curvatura de la pared o bien la aceleracin centrfuga
as como la concentracin arenosa en proximidad de pared, son decisivos
Fig. 25 Esquema de circulacin
en la instalacin de ensayos
de SAPHYR
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CENTRALES ELCTRICAS
384
para el proceso de abrasin.
EFECTOS DE ARENAS DIFERENTES EN EL MATERIAL BSICO
Materiales bsicos
En la instalacin de ensayo SAPHYR era posible controlar y variar tanto los
parmetros de corriente como las propiedades de la arena de manera
reproducible. En la primera serie de ensayos se vari la velocidad de la
corriente y la concentracin de arena mediante el material GX5 CrNi134 y
arena natural, obtenida de un desarenador del embalse regulador Stafel
(Grade Dixence) la figura 27 muestra, que la abrasin de material es casi
proporcional a la concentracin de arena y que aumenta con la tercera
potencia, la velocidad (fig. 28) . Otra serie de ensayos trataba de la variacin
de la calidad de arena, en la que se utilizaron arenas puramente cuarzosas
con mayor proporcin de peso actan de manera ms agresiva en fracciones
rudas.
Los datos obtenidos sirven para la comprobacin de un modelo que,
partiendo de un anlisis hidromecnico del comportamiento de las
partculas, cuantifica el proceso de abrasin. La figura 29 muestra una
comparacin de cifras de abrasin para GX5 CrNi134, calculadas y medidas
en la instalacin de ensayo. Con ayuda de mediciones realizadas en
mquinas usadas se comprobar y se ampliar este modelo. Con ello, en el
futuro ser posible calificar el peligro de erosin de las mquinas an en fase
de proyecto y tomar las medidas correspondientes.
-
ANEXOS
385
CAPAS PROTECTORAS RESISTENTES A LA EROSIN
De manera muy diferente debe juzgarse el comportamiento de la erosin en
capas protectoras resistentes al desgaste erosivo. Aqu, los puntos de partida
comunes para predecir el comportamiento de la abrasin ya no tienen la
misma validez que tenan en otros materiales bsicos. En este caso hay que
tener en cuenta las caractersticas especficas del recubrimiento y su
aplicacin. Tanto en la instalacin de ensayo como en un rodete Pelton de la
hidroelctrica Zermatt (Suiza) se realizaron unos ensayos llamados arco iris,
que abarcan de 16 a 18 materiales bsicos distintos, y tambin se
comprobaron diversos recubrimientos con diferentes tcnicas de aplicacin,
para obtener aclaracin sobre el comportamiento de capas del metal duro y
de la cermica de proteccin trmica.
En la instalacin de ensayo se examinaron los siguientes tipos de
recubrimiento bajo las mismas condiciones que el material bsico GX5
CrNi134:
Capas de Cermica Capas de metal duro
5XH 40 5XH 54
5XH 47 5XH 53
5XH 48 5XH 60
En esfuerzos bajos y medianos (primera y segunda fase de SAPHYR) ambos
tipos de recubrimiento mostraban una resistencia a la erosin similar. El
arranque de material se redujo por el factor 50 frente al material bsico.
Durante el elevado esfuerzo de la tercera fase, las capas de cermica eran
claramente inferiores a las capas de metal duro. La mejor capa de material
duro dio como resultado por el factor 90 frente a GX5 CrNi134. Los ensayos
en la hidroelctrica Zermatt dieron un resultado similar. Aqu tambin se
obtuvieron los mejores resultados con capas de metal duro. No obstante, se
ha demostrado que la aplicacin esmerada de cada capa es esencial para la
longevidad de las capas protectoras. Estas tan slo alcanzarn una ptima
funcin protectora si la base ha sido cuidadosamente limpiada y preparada, y
si en la aplicacin se respetan los parmetros de proyeccin ptimos. Si por
errores de proyeccin partes de las capas sufrieran daos prematuros se
podran producir enormes daos, puesto que por el rpido avance de la
erosin de las capas protectoras del material bsico quedaran socavadas y se
soltaran. (fig. 30)
-
CENTRALES ELCTRICAS
386
-
ANEXOS
387
Fig 30 Piezas daadas por abrasin y cavitacin de la planta de La
Chojlla
SELECCIN DE MATERIALES BSICOS Y DE CAPAS
PROTECTORAS DE SUPERFICIE PARA INSTALACIONES
NUEVAS Y PIEZAS DE RECAMBIO.
La experiencia ha demostrado que para la produccin de componentes de
mquinas poco afectadas por la abrasin, como espirales, cajas, conductos
de espirales, y tubos aspirantes pueden emplearse aceros de construccin
corrientes o materiales de fundicin de resistencia adecuada, para recubrir su
superficie mojada por una capa viscoelstica. Hay varios plsticos en base a
epoxy y de poliuretano que han dado buen resultado. Estas son aplicables y
recomendables tanto en piezas nuevas como en piezas usadas. Para rodetes,
labes directrices, anillos protectores de la corona directriz y laberintos, la
martensita blanda inoxidable GX5CrNi134, o martensitas equivalentes con
proporciones de cromo del 13 al 17% y de nquel del 4 al 6% son los ms
adecuados. Esta categora de aceros rene, aparte de la alta tenacidad,
elevado lmite de elasticidad y dureza, con una considerable resistencia a la
abrasin y cavitacin, buenas propiedades de soldadura y mecanizacin. En
proporciones extremas de sustancias slidas, la duracin puede aumentar
enormemente con un recubrimiento. Sin embargo, se llevan empleando con
xito desde hace aos, las capas finas de cermica, que no resisten carga
pulstiles y por ello tampoco a los ataques de la cavitacin. Para optimizar
de una forma econmica los recubrimientos de las piezas inoxidables nuevas
con cermica se recomienda someterlas al funcionamiento con superficies no
recubiertas durante un determinado tiempo, para reunir ciertas experiencias
como lugar y desarrollo temporal de los daos de abrasin, para poder
efectuar a continuacin los recubrimientos adaptados al mecanismo daino.
-
CENTRALES ELCTRICAS
388
ANEXO III
RELACIN DE PRECIOS DEL GAS NATURAL PARA LA
GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA Y PARA LA
EXPORTACIN
VOLMENES COMERCIALIZADOS AL MERCADO INTERNO
POR SECTOR A 60F (MMm3/da)
* Incluye: industrias conectadas directamente a la red troncal de transporte,
consumidores propios del Sector hidrocarburos como refineras, estaciones
de bombeo y Planta de Compresin Ro Grande, adems de las Estaciones
de Servicio de gas natural que tienen contrato directo con YPFB.
Fuente: Gerencia Nacional de Comercializacin Direccin Nacional de Gas Natural
Nota: Valores actualizados en febrero de 2013
En la estructura del mercado interno, el Sector Elctrico es el mayor
consumidor de gas natural, registrando en el ao 2012, un volumen de
consumo promedio de 4,18 MMm3/da que represent el 47,98% del
consumo total de gas natural. Le siguen los Sectores Residencial, Comercial,
Industrial y de Transporte Vehicular que en conjunto tuvieron un consumo
promedio 3,98 MMm3/da lo que represent el 45,59% del consumo total.
Finalmente, el Sector Consumidores Directos y Otros tuvo un consumo
-
ANEXOS
389
promedio de 0,56 MMm3/da, lo que represent el 6,43% del consumo total.
En promedio el Consumo del mercado interno durante la gestin 2012,
alcanz a 8,72 MMm3/da, lo que significa un incremento del 3,37%
respecto a la gestin anterior.
PRECIOS FINALES DE GAS NATURAL DEL SECTOR
ELCTRICO
A continuacin se muestran los volmenes y precios de exportacin de la
gestin 2012
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CENTRALES ELCTRICAS
390
Los volmenes exportados al mercado del Brasil a travs del contrato YPFB
Petrobras (GSA) mostraron importantes incrementos y cadas a lo largo de la gestin 2012, registrndose un incremento de 58% entre el promedio de
los volmenes del mes de enero y los del mes de diciembre. Los volmenes
ms bajos se registraron los das de 27, 28 y 30 de enero en un promedio de
17,1 MMm3. Asimismo, el volumen ms alto fue de 31,8 MMm
3 y se
registr el da 25 de febrero.
Los volmenes exportados al Mercado de Argentina a travs del contrato
YPFB ENARSA mostraron un incremento de 40% entre el mes de enero y el mes de diciembre. Los volmenes ms bajos alcanzaron un valor de 11,7
MMm3 y 3,7 MMm
3 registrados los das 22 y 23 de octubre debido a que
conflictos internos en Argentina no permitieron la entrega de mayores
volmenes. Asimismo, el volumen ms alto se registr el 13 de agosto con
16,45 MMm3.
PRECIO PONDERADO DE VENTA DE GAS NATURAL AL
BRASIL CONTRATO YPFB - PETROBRAS ($US/MMBtu)
PRECIO DE VENTA DE GAS NATURAL A LA ARGENTINA
CONTRATO YPFB ENARSA ($US/MMBtu)
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ANEXOS
391
Los precios de gas natural en el mercado interno fluctan entre un nivel
mximo de 1,9768 $us/Mpie3 y un nivel mnimo de 0,57 $us/Mpie
3, en
funcin al sector de destino y la normativa empleada en cada caso, siendo el
Sector Elctrico en el que se aplican los mayores precios y el Sector
Residencial, Comercial, Industrial y Transporte Vehicular en el que se
aplican los menores precios.
El precio de gas natural para el Sector Elctrico en el punto de entrega, al
ingreso de la planta termoelctrica, es igual a 1,30 $us/Mpie3. Para
generadoras pertenecientes al Sistema Interconectado Nacional y para
generadoras pertenecientes al Sistema Aislado el precio vara entre 1,02
$us/Mpie3 y 1,9768 $us/Mpie
3.
El precio de gas natural que es entregado a las empresas distribuidoras en
Puerta de Ciudad (city gate), cuyo destino son los Sectores Residencial,
Comercial, Industrial y Transporte Vehicular, es de 0,98 $us/Mpie3. Slo en
el caso de la Empresa Tarijea del Gas S.A.M. Carapari, es de 0,57 $us/Mpie
3.
Asimismo, los precios de gas natural para consumo propio del sector
hidrocarburos como combustible en transporte varan entre 1,0108
$us/Mpie3 y 1,4208 $us/Mpie
3 y para el uso como combustible en refinacin
es de 1,31 $us/Mpie3.
-
CENTRALES ELCTRICAS
392
Es de especial inters que el lector haga una comparacin de los precios de
exportacin con relacin a los precios que tiene el gas natural para el sector
elctrico, para ello es necesario conocer las equivalencias de la unidad BTU
a pies3
BTUs (Unidades Trmicas Britnicas)
Las BTUs o Unidades Trmicas Britnicas miden la energa en el gas
natural. Un BTU equivale al calor requerido para elevar la temperatura de
una libra (0,45 litros) de agua a 1 grado Fahrenheit (-17,22 grados Celsius).
La cantidad de calor en un fsforo de madera encendido es
aproximadamente igual a un BTU. Un pie cbico (0,02 metros cbicos) de
gas natural tiene 1,015 BTUs. Esto se compara con un galn (3,78 litros)
de propano que contiene 91700 BTUs y 1 kW (1,34 HP) de electricidad que
contiene 3413 BTUs.
-
ANEXOS
393
BIBLIOGRAFA
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CENTRALES ELCTRICAS
394
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