guide shp es 02

Gua para el desarrollo de una pequea central hidroelctrica

ESHA - 2006

CAPITULO 6. EQUIPOS ELECTROMECANICOS6 EQUIPOS ELECTROMECANICOS ........................................................................168 6.1 Casa de maquinas .......................................................................................168 6.2 Turbinas hidrulicas ....................................................................................170 6.2.1 Tipos y configuraciones ...............................................................170 6.2.2 Velocidad especfica y semejanza ...............................................181 6.2.3 Diseo preliminar .........................................................................185 6.2.4 Criterios para la seleccin de la turbina .......................................188 6.2.5 Rendimiento de las turbinas .........................................................194 6.3 Multiplicadores de velocidad ......................................................................196 6.3.1 Tipos de multiplicadores.............................................................. 197 6.3.2 Diseo de multiplicadores ............................................................198 6.3.3 Mantenimiento .............................................................................199 6.4 Generadores. ...............................................................................................199 6.4.1. Disposicin del generador respecto a la turbina .........................200 6,4.2 Excitatrices ...................................................................................201 6.4.3 Regulacin de tensin y sincronizacin. ......................................202 6.5 Control de la turbina ...................................................................................202 6.6 Equipos de sincronizacin y proteccin elctrica. ......................................206 6.7 Telecontrol ..................................................................................................207 6.8 Equipo elctrico auxiliar .............................................................................209 6.8.1 Transformador de servicio ...........................................................209 6.8.2 Suministro de corriente continua para el sistema de control .......209 6.8.3 Registro de niveles - cmara de carga y canal de descarga - .......209 6.8.4 Subestacin exterior .....................................................................210

165


ESHA - 2006

LIST OF FIGURESFigura 6.1: Vista esquemtica de una central de baja altura de salto. ............................... 168 Figura 6.2: Vista esquemtica de una central Saltos medios y altos ..................................... 169 Figura 6.3: Esquema de un aprovechamiento hidroelctrico y secciones de medida................ 171 Figura 6.4: Seccin transversal de una tobera con deflector... .................................................. 172 Figura 6.5: Vista de una Pelton de dos toberas horizontal................................................. 172 Figura 6.6: Esquema de la disposicin tobera-alabes en una Pelton ....................................... 173 Figura 6.7: Esquema de una turbina Turgo .............................................................................. 173 Figura 6.8: Esquema de una turbina de flujo transversal ......................................................... 174 Figura 6.9: Esquema de funcionamiento de los alabes directores. ........................................... 175 Figura 6.10: Vista de una Turbina Francis. ............................................................................... 176 Figura 6.11: Energa cintica a la salida del rotor .................................................................... 176 Figura 6.12: Esquema de una Kaplan vertical de doble regulacin ......................................... 177 Figura 6.13: Seccin transversal de una turbina bulbo ............................................................ 178 Figura 6.14: Seccin transversal de una turbina Kaplan vertical ............................................. 179 Figura 6.15: Seccin transversal de una turbina Kaplan inclinada con sifn ........................... 179 Figura 6.16: Seccin transversal de una turbina Kaplan invertida con sifn ............................ 165 Figura 6.17: Seccin transversal de una turbina Kaplan inclinada con reenvo a 90. ............. 180 Figura 6.18: Seccin transversal de una turbina Kaplan en S .................................................. 180 Figura 6.19: Seccin transversal de una turbina Kaplan inclinada con reenvo a 90. ............. 180 Figura 6.20: Seccin transversal de una turbina Kaplan inclinada en pozo ............................. 180 Figura 6.21: Perfil de los rodetes en funcin de su velocidad especfica. ................................ 183 Figura 6.22: Correlacin entre altura de salto neta Hn y velocidad especfica QE.. ................. 184 Figura 6.23: Caractersticas de la tobera .................................................................................. 186 Figura 6.24: Seccin transversal de un rodete Francis ............................................................. 186 Figura 6.25: Seccin transversal de una Kaplan ...................................................................... 186 Figura 6.26: Envolvente operativa de 3 tipos de turbinas. ....................................................... 190 Figura 6.27: Limites de cavitacin ........................................................................................... 193 Figura 6.28: Vista esquemtica de prdidas en un aprovechamiento........................................ 195 Figura 6.29: Rendimientos en funcin del caudal de diseo. ................................................... 195 Figura 6.30: Resultados de la medida de rendimientos en dos turbinas ................................... 196 Figura 6.31: Multiplicador de ejes paralelos ............................................................................ 197 Figura 6.32: Multiplicador de engranajes cnicos ................................................................... 197 Figura 6.33: Multiplicador de correa plana .............................................................................. 198 Figura 6.34: Generador directamente acoplado a una Kaplan de eje vertical .......................... 201 Figura 6.35: Regulador de bolas y servomotor ........................................................................ 204 Figura 6.36: Esquema unifilar.................................................................................................. 206 Figura 6.37 medida de niveles de agua ................................................................................... 210 . LISTA DE TABLAS Tabla 6.1: Configuraciones con turbina Kaplan. ...................................................................... 179 Tabla 6.2: Correlacin entre velocidad especfica y altura de salto neto ................................. 183 Tabla 6.3: Rango de velocidades especficas para cada tipo de turbina ................................... 184 Tabla 6.4: Horquilla de salto en metros ................................................................................... 188 Tabla 6.5: Sensibilidad a variaciones de salto y caudal ........................................................... 189 Tabla 6.6: Velocidad de sincronismo de los generadores ........................................................ 193 Tabla 6.7: Relacin entre velocidad de rotacin y de embalamiento....................................... 194 Tabla 6.8: Rendimientos tpicos de pequeas turbinas ............................................................ 196 ...

166


ESHA - 2006

LISTA DE FOTOS Foto 6.1 Perspectiva de una mini-central tpica ...................................................................... 169 Foto 6.2: Turbina Pelton vertical de cuatro toberas............................................ ...................... 172 Foto 6.3: Turbina Francis de eje horizontal. ..................................................................... 174 Foto 6.4: Accionamiento del distribuidor de una turbina Francis de eje horizontal. ............... 175 Foto 6.5: Rodete de una turbina Francis .................................................................................. 175 Foto 6.6: Turbinas Kaplan en sifn........................................................................................... 181 Foto 6.7: Turbina Kaplan montada en el extremo de un sifn ................................................. 181 Foto 6.8: Central hidrulica para el servomotor ....................................................................... 194 Foto 6.9: Subestacin ubicada en la casa de mquinas ............................................................ 210

167


ESHA - 2006

6 EQUIPOS ELECTROMECANICOS1En este capitulo se describe el equipo electro-mecnico, se dan algunas reglas preliminares para su diseo y se exponen los criterios utilizados para su seleccin. Para obtener ms informacin tcnica se recomienda consultar los libros de L. Vivier2, J. Raabe3 y otras publicaciones4, 5, 6, 7, 8, 9, 10.

6.1 Casa de maquinasEn un aprovechamiento hidroelctrico, la casa de mquinas tiene como misin proteger el equipo electro-hidrulico que convierte la energa potencial del agua en electricidad, de las adversidades climatolgicas. El nmero, tipo y potencia de las turbinas, su disposicin con respecto al canal de descarga, la altura de salto y la geomorfologa del sitio, condicionan la topologa del edificio. Como se observa en las figuras 6.1 y 6.2, la casa de maquinas puede albergar los equipos siguientes: Compuerta o vlvula de entrada a las turbinas Turbinas Multiplicadores (si se necesitan) Generadores Sistemas de control Equipo elctrico Sistemas de proteccin Suministro de corriente continua (control y emergencias) Transformadores de potencia e intensidad Etc.

Figura 6.1: Vista esquemtica de una central de baja altura de salto. La figura 6.1 muestra un esquema de una casa de maquinas con toma de agua, integrada con el azud y las rejillas, alojando una turbina Kaplan, de eje vertical,

168


ESHA - 2006

acoplada directamente a un generador, el tubo difusor y el canal de retorno, de uso frecuente en aprovechamientos de muy baja altura de salto. Para mitigar el impacto visual y snico, la casa de maquinas, como se ve en el capitulo 1, figura 1.6, puede estar enteramente sumergida

Figure 6.2: Vista esquemtica de una central Saltos medios y altos En los aprovechamientos de montaa, en los que el salto es mediano o grande, las casas de maquinas son ms convencionales (ver figura 6.2) con una entrada de la tubera forzada y un canal de retorno. La casa de maquina puede estar ubicada en el interior de una cueva, y eventualmente, aunque no es corriente, puede estar sumergida en el agua.

Foto 6.1: Perspectiva de una mini-central tpica La casa de mquinas puede estar instalada al pie de una presa construida para crear un embalse multiusos, entre los que el de generacin de energa no es prioritario. La figura 169


ESHA - 2006

1.4, en el capitulo 1, muestra esta configuracin, Como veremos en el capitulo 6.1.1.2, algunas configuraciones de turbinas permiten eliminar por completo la superestructura, o reducir la cubricin a la proteccin del equipo elctrico y de control. Integrando turbina y generador en una carcasa impermeable (bulbo), esta puede sumergirse en el curso del agua y eliminar as la casa de maquinas.

6.2 Turbinas hidrulicasUna turbina hidrulica tiene por objeto transformar en energa rotacional la energa potencial del agua. Aunque en este manual no se definen reglas para el diseo de las turbinas (un papel reservado a los fabricantes) hemos considera oportuno suministrar algunos criterios para la seleccin del tipo de turbina ms conveniente en cada caso e incluso suministrar formulas para determinar sus dimensiones fundamentales. Estos criterios y esas formulas estn basados en los trabajos de Siervo y Lugaresi11, Siervo y Leva12 13, Lugaresi y Massa14 15, Austerre y Verdehan16, Giraud y Beslin17, Belhaj18, Gordon19 20, Schweiger y Gregori21 22 entre otros, que han dado lugar a una serie de formulas a partir del anlisis de las turbinas instaladas. En todo caso conviene subrayar que no hay informacin tan fiable como la ofrecida por los propios fabricantes de turbinas a los que conviene recurrir, ya en fase de anteproyecto. Todas las formula utilizadas en este capitulo utilizan unidades SI y se refieren a normas IEC (IEC 60193 y 60041). 6.2.1 Tipos y configuraciones La energa potencial del agua, se convierte en energa motriz en la turbina, con arreglo a dos mecanismos bsicamente diferentes: En el primero, la energa potencial se transforma en energa cintica, mediante un chorro de gran velocidad, que es proyectado contra unas cazoletas, fijas en la periferia de un disco. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de accin. Como el agua, despus de chocar contra las cazoletas, cae al canal de descarga con muy poca energa remanente, la carcasa puede ser ligera y solo tiene por misin evitar accidentes e impedir las salpicaduras del agua. En el segundo, la presin del agua acta directamente sobre los alabes del rodete, disminuyendo de valor a medida que avanza en su recorrido. A este tipo de turbinas se las conoce como turbinas de reaccin. Al estar el rodete completamente sumergido y sometido a la presin del agua, la carcasa que lo envuelve tiene que ser suficientemente robusta para poder resistirla.

La potencia hidrulica a disposicin de la turbina viene dada por: Ph = QgH En la que: Q Q gH g H = = = = = = flujo msico densidad del agua caudal energa hidrulica especfica de la maquina constante gravitacional salto neto [kg/s] [kg/m3] [m3/s] [J/kg] [m/s2] [m] [W] (6.1)

170


ESHA - 2006

Figura 6.3: Esquema de un aprovechamiento hidroelctrico y secciones de medida

La potencia mecnica de la turbina viene dada por:

Pm = P h * = rendimiento de la turbina

[W]

(6.2)

La energa hidrulica especfica de la turbina viene dada por la ecuacin: 1 1 2 2 E = ( p1 p 2 ) + v1 v 2 + g ( z1 z 2 ) [m] 2

(

)

(6.3)

gH = energa hidrulica especfica de la turbina [J/kg] = presin en la seccin x [Pa] px vx = velocidad del agua en la seccin x [m/s] zx = altura de la seccin x [m] Los subndices 1 y 2 definen las secciones de medida a la entrada y salida de la turbina, tal y como estn definidos en las normas IEC. El salto neto viene definido como: E Hn = g Turbinas de accin Turbina Pelton Son turbinas de accin en las que la tobera o toberas (una turbina de eje vertical puede tener hasta seis toberas, con uno o con dos rodetes) transforman la energa de presin del agua en energa cintica. Cada tobera produce un chorro, cuyo caudal se regula mediante una vlvula de aguja (figura 6.4). Suelen estar dotadas de un deflector, cuya

En la que

[m]

(6.4)

171


ESHA - 2006

misin es desviar el chorro para evitar que, al no incidir sobre las cazoletas, se embale la turbina, sin tener que cerrar bruscamente la vlvula de aguja, maniobra que podra producir un golpe de ariete. De esta forma la mxima sobrepresin no supera 1,15 veces la presin esttica. Se utilizan en saltos entre 40 y 1200 m.

Figure 6.4: Seccin transversal de una tobera con deflector Como la energa cintica del agua al abandonar las cazoletas se pierde, estas se disean para que las velocidades de salida sean mnimas. Las turbinas Pelton de una o dos toberas pueden ser de eje horizontal (figura 6.5) o vertical. Las de tres o ms toberas son de eje vertical (foto 6.2). Seis es el mximo nmero de toberas en una Pelton pero no se utilizan en turbinas para pequeas centrales.

Figure 6.5: Vista de una Pelton de dos de dos toberas horizontal

Foto 6.2: Pelton vertical de cuatro toberas,

El rotor suele estar directamente acoplado al generador y situado por encima del nivel aguas abajo de la turbina. En la turbina Pelton el chorro incide, como puede verse en la figura 6.6, con un ngulo de 90 respecto al plano diametral del rodete.

172


ESHA - 2006

Figura 6.6 El rendimiento de una Pelton se mantiene elevado, para caudales entre el 30% y el 100% del mximo, en turbinas de una sola tobera y, entre el 10% y el 100% para turbinas de dos o ms toberas

Turbina Turgo La turbina Turgo puede trabajar en saltos con alturas comprendidas entre 50 y 300 metros. Como la Pelton, se trata de una turbina de accin, pero sus alabes tienen una distinta forma y disposicin. El chorro incide con un ngulo de 20 respecto al plano diametral del rodete (Fig 6.7), entrando por un lado del disco y saliendo por el otro. A diferencia de la Pelton, en la turbina Turgo el chorro incide simultneamente sobre varios alabes, de forma semejante a como lo hace el fluido en una turbina de vapor. Su menor dimetro conduce, para igual velocidad perifrica, a una mayor velocidad angular, lo que facilita su acoplamiento directo al generador.

Figura 6.7: Esquema de una turbina Turgo Su rendimiento es inferior al de una Pelton o una Francis, y se mantiene entre lmites aceptables para caudales entre el 20% y el 100% del mximo de diseo. Una Turgo puede constituir una alternativa a una Francis si el caudal es muy variable o si la tubera forzada es muy larga, ya que el deflector evita el embalamiento cuando, trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece sbitamente la carga exterior, y el golpe de ariete que, en ese caso, producira el cierre de la admisin a la Francis.

173


ESHA - 2006

Turbina de flujo cruzado

Figura 6.8: Esquema de una turbina de flujo transversal Esta turbina, conocida tambin como Michell-Banki en recuerdo de sus inventores, se utiliza en una gama muy amplia de alturas de salto (de 5m a 200 m). Su rendimiento mximo es inferior al 87%, pero se mantiene entre lmites aceptables para caudales entre el 16% y el 100% del caudal mximo de diseo. El agua (figura 6.8) entra en la turbina a travs de un distribuidor, y pasa a travs de la primera etapa de alabes del rodete, que funciona casi completamente sumergido (incluso con un cierto grado de reaccin). Despus de pasar por esta primera etapa, el flujo cambia de sentido en el centro del rodete y vuelve a cruzarlo en una segunda etapa que es totalmente de accin. Ese cambio de direccin no resulta fcil y da lugar a una serie de choques que son la causa de su bajo rendimiento nominal. Su construccin es muysimple y consiguientemente requiere una baja inversin.

Turbinas de reaccin Turbina Francis Son turbinas de reaccin de flujo radial y admisin total, muy utilizadas en saltos de altura media (entre 25m y 350m), equipadas con un distribuidor de alabes regulables y un rodete de alabes fijos. En las turbinas Francis rpidas la admisin es radial y la salida es axial. La foto 6.3 muestra una turbina Francis de eje horizontal con el tubo de aspiracin en primer plano. Foto 6.3

174


ESHA - 2006

Las turbinas Francis pueden ser de cmara abierta generalmente en saltos de poca altura, en cuyo caso suele ser mejor solucion una Kaplan - o de cmara en espiral unida a la tuberia forzada. La espiral est diseada para que la velocidad tangencial del agua sea constante y el caudal que pasa por cada seccin del caracol sea proporcional al arco que le queda por abastecer. Como se ve en la figura 6.9, el distribuidor tiene alabes directrices mobiles, cuya funcion es regular el caudal que entra al rodete y el angulo en queel agua incide sobre los alabes de este ultimo. Los alabes distribuidores giran sobre su eje, mediante bielas conectadas a un gran anillo exterior que sincroniza el movimiento de todos ellos. Estos alabes pueden utilizarse para cerrar la entrada del agua en casos de emergencia, pese a lo cual sigue siendo necesaria la valvula de mariposa que, en esos casos, cierra la entrada del agua a la espiral. El rodete transforma la energa hidrulica en energa mecnica y devuelve el agua al tubo difusor.

Figura 6.9: Esquema de funcionamiento de los alabes directores

Foto 6.4: Accionamiento del distribuidor Foto 6.5: Rodete de una turbina Francis en una turbina Francis de eje horizontal

175


ESHA - 2006

Figura 6.10: Vista de una turbina Francis Los rodetes de las turbinas pequeas estan construidos generalmente en fundicin de acero inoxidable. Algunos fabricantes emplean rodetes de fundicin de bronce al aluminio e incluso en algunos casos rodetes fabricados por soldadura. El tubo de aspiracin de una turbina de reaccin tiene como objetuvo recuperar la energa cintica del agua que sale del rodete. Como esta energa es proporcional al cuadrado de la velocidad, uno de los objetivos del tubo de aspiracin es reducir la velocidad de salida, para lo cual se emplea un perfil cnico. Sin embargo el angulo del cono tiene un limite, pasado el cual se produce la separacin del flujo del agua. El angulo optimo es 7, pero para reducir la longitud del tubo, y consiguientemente su costo, en algunos casos el angulo se aumenta hasta 15.

Figura 6.11: Energa cintica a la salida del rotor

176


ESHA - 2006

Cuanto menor sea el salto ms importante ser el papel del tubo de aspiracin, ya que, al disminuir aquel -para potencia equivalente- aumenta el caudal nominal y por tanto las perdidas cinticas correspondientes. Es facilmente comprensible que, para un mismo dimetro del rotor, su velocidad aumenta si aumenta el caudal. La figura 6.11 nos muestra la energa cintica remanente del agua a la salida del rodete, en funcin de la velocidad especfica. (ver el captulo 6.1.2 para la definicin de velocidad especfica)

Turbinas Kaplan y de helice Son turbinas de reaccin de flujo axial generalmente utilizadaas en saltos de 2 a 40 m. Los alabes del rodete en las Kaplan son siempre regulables, mientras que los de los distribuidores, pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables la turbina es una verdadera Kaplan; si solo son regulables los del rodete, la turbina es una Semi-Kaplan. Cuando los alabes del rodete son fijos, la turbina se denomina de hlice.Se utilizan en aprovechamientos en los que tanto el caudal como el salto permanecen constantes, lo que las hace poco utiles en el caso de la pequea hidrulica.

Figura 6.12: Esquema de una Kaplan vertical de doble regulacion La doble regulacin permite su utilizacin cuando el caudal y el salto varan en el tiempo; la turina mantiene un rendimiento aceptable aun cuando el caudaal vare entre el 15% y el 100% del nominal de diseo. La semi Kaplan se adapta bien a variaciones del caudal (pueden trabajar entre el 30% y el 100% del caudal de diseo) pero es menos flexible cuando la altura de salto vara substancialmente La figura 6.12 representa el esquema de una turbina Kaplan de eje vertical, de doble regulacion. Los alabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas

177


ESHA - 2006

manivelas, que son solidarias de unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor hidrulico, con la turbina en movimiento. La turbina bulbo es una derivacin de las anteriores, caracterizada porque el agua pasa axialmente a travs de alabes directrices fijos y porque el generador y el multiplicador (si existe) estn contenidos en una carcasa estanca, con forma de bulbo, sumergida en el agua. La figura 6.13 muestra una turbina, en la que todo el equipo est alojado en un bulbo refrigerado por ventilacin forzada con intercambiador aire-agua. Del bulbo salen solamente los cables elctricos debidamente protegidos.

Figura 6.13: Seccin transversal de una turbina bulbo Para reducir el costo global (obra civil + equipos), y en particular reducir el volumen de obra civil, se han concebido un cierto nmero de configuraciones que han llegado a ser consideradas como clsicas. Los criterios de seleccin son bien conocidos : Horquilla de caudales a turbinar Altura de salto Naturaleza del terreno Criterios medioambientales (fundamentalmente impacto visual y sonoro) Costo de la mano de obra

Las configuraciones se diferencian en como el flujo atraviesa la turbina (radial o axial), en el sistema de cierre del paso de agua (compuerta, distribuidor o sifn) y en el tipo de multiplicador (engranajes paralelos, reenvo en ngulo, engranajes epicicloidales). Para los que estn interesados en esquemas de baja altura de salto se les recomienda leer un artculo presentado por J. Fonkenell a HIDROENERGIA 9123, dedicado a la eleccin de la configuracin optima de turbinas Kaplan. La tabla 6.1 y las figuras que la siguen, tomadas de la referida comunicacin, muestran los diversos tipos de configuraciones.

178


ESHA - 2006

Tabla 6.1: Configuraciones con turbina Kaplan configuracin Kaplan o semi-Kaplan vertical Semi-Kaplan inclinada en sifn Semi-Kaplan inversa en sifn Semi-Kaplan inclinada reenvo a 90 Kaplan en S Kaplan inclinada con reenvo a 90 Semi-Kaplan en pozo flujoradial radial radial axial axial axial axial

cierredistribuidores sifn sifn compuerta compuerta compuerta compuerta

multiplicador figuraparalelo paralelo paralelo paralelo paralelo cnico paralelo 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20

Los cierres de sifn son fiables, econmicos y, dada su velocidad de cierre, impiden el embalamiento de la turbina, pero son muy ruidosos a no ser que se aislen la bomba de vaco y las valvulas de maniobra. Aun cuando no sea imprescindible, se recomienda intercalar una valvula de cierre para impedir el arrranque imprevisto de la turbina,como consecuencia de fuertes variaciones en los niveles aguas abajo y aguas arriba. Si sucediera as, la turbina alcanzara velocidades muy altas y el operario no tendra forma de pararla. La solucin ideal desde el punto de vista de impacto visual y snico es la de una casa de mquinas enterrada o semienterrada que solo es factible con una configuracin de turbina en S, turbina inclinada con reenvo a 90 o turbina en pozo. La solucin con reenvo a 90, permite utilizar un generador a 1500 rpm, standard, barato y poco voluminoso, empleando un multiplicador de doble etapa - reductor planetario y cnico en el que la velocidad relativamente elevada del eje, a la entrada del segundo, facilita el diseo de los pines cnicos.

semi Kaplan inclinada en sifn

Figura 6.14

Figura 6.15

179


ESHA - 2006

Figura 6.16

Figura 6.17

Figura 6.18

Figura 6.19

Figura 6.20 La solucin en S es muy popular aunque presenta el inconveniente de que el eje de la turbina tiene que atravesar el conducto de salida - o de entrada si la S se presenta invertida. - lo que provoca una prdida de carga en absoluto despreciable, como prueba un estudio reciente, segn el cual en un aprovechamiento con un salto de 4 m y un caudal nominal de 24 m3/seg, la configuracin con reenvo a 90 tiene un rendimiento global, entre un 3% y un 5% superior al de la configuracin en S. Adems, los volmenes, tanto de excavacin como de hormign son muy inferiores en la configuraci n con reenvo a 90 que en la configuracin en S.

180


ESHA - 2006

Foto 6.6 turbinas Kaplan en sifn La configuracin en pozo presenta la ventaja de que los principales rganos mecnicos son fcilmente accesibles, con lo que se facilita la inspeccin y el mantenimiento, especialmente en lo que respecta al acoplamiento turbina multiplicador, multiplicador propiamente dicho y generador. Al tener un mayor caudal especfico (un 30% ms que las kaplan de eje vertical) la turbina es ms pequea y la obra civil ms sencilla.

Foto 6.7 Una turbina Kaplan montada en el estremo de un sifn Las turbinas Kaplan, por las mismas razones que las Francis, necesitan tener un tubo de aspiracin. Como se emplean en saltos de poca altura, las perdidas de energa cintica son relativamente ms importantes, por lo que es necesario cuidar su diseo.

6.2.2 Velocidad especfica y semejanza La gran mayora de las estructuras hidrulicas - aliviaderos, disipadores de energa a la salida de un embalse, tomas de agua, etc.- se proyectan hoy en da sobre la base de ensayos realizados con modelos a escala reducida. El comportamiento de estos modelos se fundamenta en la teora de la similitud hidrulica, que incluye el anlisis de la interrelacin de las diversas magnitudes fsicas que intervienen en el comportamiento dinmico del agua sobre la estructura, ms conocido como anlisis dimensional. El diseo de turbinas hidrulicas no constituye una excepcin y los fabricantes de equipos tambin utilizan modelos a escala reducida. La pregunta que se plantea es la de si, conociendo como funciona un cierto tipo de mquinas bajo determinados parmetros hidrulicos, se puede saber como funcionar esa misma mquina, u otra geomtricamente semejante, cuando opera bajo otros parmetros hidrulicos diferentes. Si podemos contestar a esta pregunta, la teora de la similitud nos proporcionar un criterio cientfico con el que catalogar las turbinas, de gran utilidad en el proceso de

181


ESHA - 2006

seleccin de la turbina que mejor se adapta a las condiciones del aprovechamiento que proyectamos. La contestacin es positiva si el modelo y el prototipo son geometricamente semejantes. Para que sean geometricamente semejantes, el modelo tiene que ser una reduccin a escala de la turbina industrial, manteniendo una constante de reduccin fija para todas las longitudes homogeneas. Si el coeficiente de reduccin de longitud es k, el. de superficie deber ser k2 y el de volumen k3. Es conveniente insistir en que el modelo y los ensayos de laboratorio constituyen la unica va para garantizar el rendimiento y comportamiento hidrulico de la turbina industrial. Todas las reglas de semejanza estn estrictamente definidas en las normas internacionales IEC 60193 y 60041. No se puede aceptar ninguna garanta si no se cumplen estas normas y estas reglas. La velocidad especfica de una turbina se define como la velocidad de una turbina homologa, de un tamao tal que, con una unidad de salto produce una unidad de potencia. De acuerdo con la anterior definicin y las citadas normas, la velocidad especfica de una turbina viene dada por la formula

QE =En donde:

n Q E1 4

[]

(6.5)

Q = caudal (m3/s) E = energa hidrulica especfica de la maquina [J/kg] n = velocidad rotacional de la turbina [rps]

QE no es un parmetro adimensional. Cuando se calcula en unidades SI, la velocidadespecifica s viene dada por la formula: (6.6) 5 H 4 En donde n velocidad en rpm, P potenia en kW y H altura de salto neta en metros.

s =

n P

s = 995 * QE

(6.7)

Algunos autores empleaban como velocidad especfica la Q en funcin del caudal y de la altura neta de salto: P

Q =

5

(gH ) 4

(6.8)

Su factor de conversin con QE es Q = 333* QE

182


ESHA - 2006

Figura 6.21: Perfil de los rodetes en funcin de su velocidad especfica En la figura 6.21 se representan cuatro diseos de rodetes de turbinas de reaccin, y su correspondiente velocidad especfica, optimizados desde el punto de vista del rendimiento. Se ve que, para adaptarse al salto del aprovechamiento, el rodete evoluciona con la velocidad especfica. Al evolucionar el rodete con la velocidad especfica, llega un momento en el que la llanta que une el borde inferior de los alabes produce un rozamiento excesivo, y para evitarla los alabes se construyen en voladizo, dando lugar a las turbinas Kaplan, Hlice y Bulbo, utilizadas en saltos de baja altura. En general, los fabricantes de turbinas dan la velocidad especfica de sus turbinas. Un gran nmero de estudios estdisticos, realizados sobre turbinas en funcionamiento, han permitido relacionar la velocidad especfica con la altura de salto neto, en cada tipo de turbina,. La Tabla 6.2 y la figura 6.22 nos muestran esa correlacin para cinco tipos distintos de turbinas. Tabla 6,2 Correlacin entre velocidad especfica y altura de salto neto ______________________________________________________________________ Pelton (1 tobera) QE = 0,0859/Hn0,343 (Servio y Lugaresi) (6.9) 0,512 Francis QE = 1,924/Hn (Lugaresi y Massa) (6.10) 0.486 QE = 2,2.94/Hn (Schweiger y Gregori) (6.11) Kaplan 0,5 Hlice QE = 2,716/Hn (USBR) (6.12) 0,2837 Bulbo QE = 1,528/Hn (Kportze y Wamick) (6.13) ______________________________________________________________________

183


ESHA - 2006

Figura 6.22: Correlacin entre altura de salto neta Hn y velocidad especfica QE La tabla 6.3, muestra las velocidades especficas tpicas de cuatro tipos de turbinas. Tabla 6.3: Rango de velocidades especficas para cada tipo de turbina Pelton de una tobera Pelton de n toberas Francis Kaplan, hlice, bulbos 0,005 < QE < 0,025 0,005* n0,5 < QE < 0,025* n0,5 0,05 < QE < 0,33 0,19 < QE 0,164 por 6.22 D3 [m] D2 = 0,96 + 0,3781 QE Para QE < 0,164 se puede admitir que D1 = D2 Para otras dimensiones consultese los mencionados trabajos.Turbinas Kaplan

(6.22)

Las turbinas Kaplan tienen velocidades especficas mucho ms altas que las Pelton y las Kaplan.

Figura 6.25: Seccin transversal de una Kaplan

187


ESHA - 2006

En la fase preliminar del proyecto, el diametro exterior De puede calcularse con la formula 6.23.De = 84,5 (0,79 + 1,602 QE ) Hn

60 n El diametro Di del eje del rodete se calcula por la formula 6.24.

(6.23)

0,0951 De D1 = 0,25 + QE

(6.24)

Para calcular otras dimensionesvease el trabajo de De Siervo y De Leva12 o el de Lugaresi y Massa14.

6.2.4 Criterios para la seleccin de la turbina.

El tipo, geometra y dimensiones de la turbina estn condicionados, fundamentalmente, por los siguientes criterios: Altura de salto neta Horquilla de caudales a turbinar Velocidad de rotacin Problemas de cavitacin Velocidad de embalamiento Costo El salto bruto es la distancia vertical, medida entre los niveles de la lmina de agua en la toma y en el canal de descarga, en las turbinas de reaccin, o el eje de toberas en las de turbinas de accin. Conocido el salto bruto, para calcular el neto, basta deducir las prdidas de carga, a lo largo de su recorrido tal y como se hizo en el ejemplo 5.6. En la Tabla 6.4 se especifica, para cada tipo de turbina, la horquilla de valores de salto neto dentro con la que puede trabajar. Obsrvese que hay evidentes solapamientos, de modo que para una determinada altura de salto pueden emplearse varios tipos de turbina.Tabla 6.4: horquilla de salto en metros Tipo de turbinaKaplan y hlice Francis Pelton Michel Banki Turgo

Altura de salto en m2 < Hn < 40 25 < Hn < 350 50 < Hn < 1.300 5 < Hn < 200 50 < Hn < 250

188


ESHA - 2006

Caudal

Un valor aislado del caudal no tiene ninguna significacin. Lo que interesa es el rgimen de caudales representado por la curva de caudales clasificados (CCC) obtenida de los datos procedentes de la estacin de aforos o de los estudios hidrolgicos (Secciones 3.3 y 3.6 del captulo 3). No todo el caudal representado en una CCC puede utilizarse para producir energa elctrica. Fundamentalmente hay que descartar el caudal ecolgico que tiene que transitar todo el ao por el cauce cortocircuitado.. El caudal de diseo y el salto neto determinan el tipo de turbinas utilizables en el sitio escogido: aquellas en las que el punto representado por el salto y el caudal cae dentro de su envolvente operacional. La figura 6.26 se ha elaborado integrando los datos de varios fabricantes europeos. Cualquier turbina dentro de cuya envolvente caiga dicho punto, podr ser utilizada en el aprovechamiento en cuestin. La eleccin final ser el resultado de un proceso iterativo, que balancee la produccin anual de energa, el costo de adquisicin y mantenimiento de la turbina, y su fiabilidad. Como una turbina solo puede admitir caudales comprendidos entre el mximo y el mnimo tcnico por debajo del cual su funcionamiento es inestable puede resultar ventajoso utilizar varias turbinas pequeas en sustitucin de una ms grande. Las turbinas se arrancaran secuencialmente, de tal forma que todas ellas salvo una, trabajaran a plena carga, con un rendimiento ptimo. Utilizando dos o tres turbinas pequeas, su peso y volumen unitarios sern ms pequeos y por ende ms fcil de transportar y montar. Dividiendo el caudal entre dos o ms turbinas, estas trabajarn a mayor velocidad con lo que puede ser posible prescindir del multiplicador. Por otra parte, en el espectro de saltos de altura media con fuertes variaciones de caudal, una Pelton de varias toberas, con una velocidad de rotacin baja, puede resultar ms econmica que una Francis, Un argumento semejante puede utilizarse, en saltos de baja altura, a la Kaplan y la Francis. La eleccin final entre una o ms unidades o entre un tipo de turbina u otro, ser el resultado de un clculo iterativo que tenga en cuenta el coste de inversin y la produccin anual.

Tabla 6.5: Sensibilidad a variaciones de salto y caudalTipo de turbina Pelton Francis Kaplan SemiKaplan Hlice Sensibilidad a variaciones de caudal Alta Media Alta Alta Baja Sensibilidad a variaciones de caudal Baja Baja Alta Media Baja

189


ESHA - 2006

.Figura 6.26 Envolvente operativa de 3 tipos de turbinas

Velocidad especfica

La velocidad especfica constituye un excelente criterio de seleccin, ms preciso sin duda que el ms convencional y conocido de las envolventes operacionales que acabamos de mencionar. Por ejemplo, si queremos generar energa elctrica en un aprovechamiento con un salto neto de 100 metros, utilizando una turbina de 800 kW directamente acoplada a un generador estndar de 1500 rpm, empezaremos por calcular la velocidad especfica, segn la ecuacin 6.5 y obtenemos QE = 0,135

190


ESHA - 2006

Con esta velocidad especfica, la nica eleccin posible es una turbina Francis. Si, por el contrario admitimos la instalacin de un multiplicador con una relacin de hasta 1:3, la turbina podra girar entre 500 y 1.500 rpm, con lo que su velocidad especfica podra situarse entre 0.045 y 0,135 rpm. De esta forma la eleccin podra recaer, adems de en la Francis, en una turbina Turgo, una turbina de flujo cruzado o una Pelton de dos toberas. Si queremos instalar una turbina directamente acoplada a un generador de 1.000 rpm, en un salto de 400 m y disponemos de un caudal de 0,42 m3/s, comenzaremos calculando la velocidad especfica; QE = 0,022. Con estos parmetros la eleccin recaera en una Pelton de una tobera, con un dimetro D1=0,846 m de acuerdo con la ecuacin 6.18. Si el caudal variase sustancialmente a lo largo del ao, podra escogerse una Pelton de dos o ms toberas, que es menos sensible las variaciones del caudal. Como se indic ms arriba, la turbina Pelton viene definida por la relacin D1/B2 ms que por la velocidad especfica. Para ello resulta necesario efectuar ensayos con modelos a escala en laboratorio.Cavitacin

Cuando la presin ejercida sobre un liquido en movimiento, desciende por debajo de su presin de vaporizacin, ste se evapora formando gran nmero de pequeas burbujas, que al ser arrastradas a zonas de mayor presin, terminan por estallar. La formacin de estas burbujas y su subsiguiente estallido, es lo que constituye la cavitacin. La experiencia demuestra que el estallido de esas burbujas genera impulsos de presin muy elevados, que van acompaados de fuertes ruidos (una turbina en cavitacin suena como si a travs de ella pasasen montones de grava), y que la accin repetitiva de esos impulsos produce una especie de corrosin difusa, formando picaduras en el metal (.pitting.). Con el tiempo esas picaduras, degeneran en verdaderas grietas con arrancamiento de metal. Las elevadas temperaturas generadas por esos impulsos y la presencia frecuente de gases ricos en oxgeno, agravan la corrosin. Un alabe sometido a cavitacin aparece al cabo de cierto tiempo lleno de cavidades, lo que obliga a sustituirlo o, si an se est a tiempo, a repararlo recargndolo por soldadura. Para evitarla habr que realizar ensayos de laboratorio, para definir el perfil correcto de los alabes y determinar el campo de operatividad de la turbina. La cavitacin viene caracterizada por un coeficiente (coeficiente de Thoma), definido segn la norma IEC 60193 como: NPSE = [-] (6.25) gH n En la que NPSE, energa neta de succin positiva, est definida como: Patm Pv V 2 NPSE = + gH S [-] (6.26) 2

191


ESHA - 2006

En la que:

Patm Pv g V Hn HS

= presin atmosfrica = presin del vapor de agua = densidad especfica del agua = aceleracin debida a la gravedad = velocidad media de salida = altura de salto neta = altura de succin

[Pa] [Pa] [kg/m3] [m/s2] [m/s] [m] [m]

Para evitar la cavitacin, la turbina debe instalarse a un altura al menos igual a HS definida por la ecuacin 6.27:HS = Patm Pv V 2 + H n 2g g

[m]

(6.27)

Un valor positivo de HS significa que el rotor de la turbina estar situado por encima del nivel del agua en el canal de retorno y uno negativo que est situado bajo el agua. Como primera aproximacin se puede considerar que V = 2 m/s. El sigma de una turbina es una funcin de su velocidad especfica y el proyectista deber solicitarla del fabricante, que la obtendr a partir de ensayos en laboratorio con modelos reducidos. De todos modos, De Servio y Lugaresi, basndose en los citados estudios estadsticos, establecieron para las turbinas Francis y Kaplan, la siguiente correlacin entre y velocidad especfica: Francis

= 1,2715

1, 41 QE

V2 + 2 gH n V2 2 gH n

[-]

(6.28)

Kaplan

1, 46 = 1,5241 QE +

[-]

(6.29)

Conviene subrayar que la altura de instalacin vara sensiblemente con la altitud de la central, desde aproximadamente 1,01 bar al nivel del mar hasta 0,65 bar a 3.000 m sobre el nivel del mar. As una turbina Francis con una velocidad especfica de 0,150, trabajando en un salto de 100 m de altura neta (con una = 0,090), con la central a nivel del mar, requerir una altura HS:HS = 101.000 880 22 + 0,09 100 = 1,41 1000 9,81 2 9,81

[m]

mientras que si la central estuviera situada a 1.000 m de altitud HS sera:HS = 79.440 880 22 + 0,09 100 = 0,79 1000 9,81 2 9,81

[m]

lo que exigira una excavacin.

192


ESHA - 2006

Figura 6.27; Lmites de cavitacin ( vs QE)

La ecuacin 6.30 muestra la concordancia entre velocidad especifica y sigma de cavitacin: [-] (6.30) QE 0,686 0,5882 Conviene advertir que se pueden producir fenomenos de cavitacin en el borde interior de las cazoletas de la Pelton, si no estn bien diseadas o si, en el proceso de fabricacin no se han respetado los resultados de los ensayos en laboratorio.

Velocidad de rotacin

Segn la ecuacin 6.5, la velocidad de rotacin de una turbina es funcin de su velocidad especfica, de su potencia y de la altura del aprovechamiento. En los pequeos aprovechamientos suelen emplearse generadores estndar, por lo que hay que seleccionar la turbina de forma que, bien sea acoplada directamente o a travs de un multiplicador, se alcance una velocidad de sincronismo.Tabla 6.6: velocidad de sincronismo de los generadores

193


ESHA - 2006

Velocidad de embalamiento.

Cuando, trabajando a plena potencia hidrulica, desaparece sbitamente la carga exterior, bien sea por corte del interruptor o por fallo en la excitacin del alternador, la turbina aumenta su velocidad hasta alcanzar lo que se conoce como velocidad de embalamiento. Esa velocidad vara con el tipo de turbina, el ngulo de apertura del distribuidor y la altura de salto. La tabla 6.8 muestra la relacin entre la velocidad de embalamiento y la normal de rotacin.Tabla 6.7 Relacin entre velocidad de rotacin y de embalamiento

Tipo de turbinaKaplan simple regulacin Kaplan doble regulacin Francis Pelton Turgo

nmax / n2,0 2,6 2,8 3,2 1,6 2,2 1,8 1,9 1,8 1,9

Hay que tener en cuenta que al aumentar la velocidad de embalamiento, se encarecen el multiplicador y el generador, que habrn de disearse para poder resistir las fuerzas de aceleracin centrfuga correspondientes6.2.5 Rendimiento de las turbinas

El rendimiento que garantizan los fabricantes de turbinas, est basado en el International Code for the field acceptance tests of hydraulic turbines (publicacin IEC-60041) o, cuando es aplicable, en el International Code for model acceptance tests (publicacin IEC-60193). El rendimiento se define como la relacin entre la potencia mecnica transmitida al eje de la turbina y la potencia hidrulica correspondiente al caudal y salto nominales, tal como se define en la ecuacin 6.1.

=

Pmec Ph

[W]

(6.33)

Hay que hacer notar que en las turbinas de accin (Pelton y Turgo), la altura de salto se mide hasta el punto de impacto del chorro que, para evitar que el rodete quede sumergido en pocas de riadas, estar siempre por encima del nivel de la lmina de agua en el canal de descarga, con lo que se pierde una cierta altura con respecto a las turbinas de reaccin, en las que, como veremos, el plano de referencia es la propia lmina de agua. Dadas las prdidas que tienen lugar en el conjunto de la turbina de reaccin, el rodete solo utiliza una altura Hu, inferior al salto neto Hn, tal y como se define en la figura 6.28. Estas prdidas son esencialmente prdidas de friccin y tienen lugar en la cmara espiral, en los alabes directores y del rodete, y sobre todo en el tubo de aspiracin o difusor. El difusor tiene como misin recuperar el mayor porcentaje posible de la prdida de energa cintica correspondiente a la velocidad del agua al salir del rodete.

194


ESHA - 2006

Figura 6.28: Vista esquemtica de prdidas en un aprovechamiento

Su funcin es especialmente crtica en los rodetes de alta velocidad especfica, en los que las prdidas por este concepto podran llegar a alcanzar el 50% del salto (mientras que en las Francis lentas apenas representan el 3%-4%). La columna de agua que acciona la turbina equivale al salto neto menos la presin equivalente a la energa cintica disipada en el tubo de aspiracin, cuantificada por la expresin Ve 2/2g (siendo Ve la velocidad media a la salida del tubo de aspiracin). La figura 6.29 indica como evoluciona el rendimiento de una turbina con diferentes caudales, al variar este en relacin con el de diseo, y la tabla 6.9 da el rendimiento tpico mximo garantizado por los fabricantes, para varios tipos de turbinas. Para estimar el rendimiento global del equipo, este rendimiento deber ser multiplicado por los rendimientos del multiplicador (si ha lugar) y del generador.

Figura 6.29: Rendimientos en funcin del caudal de diseo

195


ESHA - 2006

Tabla 6.8: Rendimientos tpicos de pequeas turbinas Tipo de turbinaKaplan simple regulacin Kaplan doble regulacin Francis Pelton 1 tobera Pelton n toberas Turgo

Mejor rendimiento0,91 0,93 0,94 0,90 0,89 0,85

Para asegurarse de que la turbina que se compra va a funcionar correctamente, conviene exigir una garanta del fabricante, basada en los resultados obtenidos con turbinas homologas en laboratorio. La figura 6.30 ilustra los resultados de dos turbinas, en la misma aplicacin: una basada en ensayos de laboratorio y otra sin garantas.

Figura 6.30: Resultados de la medida de rendimientos en dos turbinas

6.3 Multiplicadores de velocidadCuando turbina y generador trabajan a la misma velocidad y pueden montarse coaxialmente, se recomienda el acoplamiento directo, que evita prdidas mecnicas y minimiza el mantenimiento ulterior. El fabricante de la turbina recomendar el tipo de acoplamiento a utilizar an cuando un acoplamiento flexible, que tolera pequeos errores de alineacin, es en general preferible.

196


ESHA - 2006

En general, sobre todo en instalaciones de baja altura de salto, los rodetes giran por debajo de 400 rpm, lo que obliga al empleo de un multiplicador para alcanzar las 1.0001.500 rpm de los alternadores estndar, solucin siempre ms econmica que la de utilizar un alternador especial, que tendr que ser construido bajo pedido Actualmente, los fabricantes de generadores ofrecen, a precios razonables, generadores lentos que pueden ser acoplados directamente.

6.3.1 Tipos de multiplicadoresEn funcin del tipo de engranajes utilizados en su construccin, los multiplicadores se clasifican como:.

Paralelos. Utilizan engranajes helicoidales, especialmente atractivos para potencias medias. La figura 6.31 muestra un reductor de eje vertical, acoplado a una turbina Kaplan en configuracin vertical. Cnicos. Generalmente limitados a pequeas potencias, utilizan engranajes cnicos espirales para el reenvo a 90. La figura 6.32 muestra un multiplicador de dos etapas: una primera de engranajes planetarios y otra segunda de engranajes cnicos. Epicicloidales. Utilizan engranajes epicicloidales con diseos muy compactos, especialmente adecuados para potencias de ms de 2 MW De correa (plana o trapezoidal). Utilizados en bajas potencias; resultan de fcil mantenimiento (figura 6.33)

Figura 6.31: Ejes paralelos

Figura 6.32: Engranajes cnicos

197


ESHA - 2006

Figura 6.33: Multiplicador de correa plana 6.3.2 Diseo de multiplicadores

La caja se disea para garantizar, an bajo solicitaciones extremas, la correcta alineacin de los componentes. En general se construyen de acero soldado, fuertemente rigidizado para que pueda resistir, sin deformarse, el empuje de la turbina y el par transmitido por el generador. El reductor tiene que soportar esfuerzos excepcionales, causados por situaciones excepcionales, tales como un defecto de sincronismo, un cortocircuito o un embalamiento de la turbina, que generan esfuerzos puntuales que pueden llegar a romper los engranajes. Para proteger los engranajes contra estos esfuerzos puntuales, se recomienda utilizar limitadores de par que al presentarse una sobrecarga excesiva originan la rotura de la pieza que hace de acoplamiento. Es importante que el volumen, calidad, temperatura y viscosidad del aceite se mantengan siempre dentro de especificaciones. Para garantizar una buena lubricacin es aconsejable utilizar doble bomba y doble filtro de aceite. Los multiplicadores se disean con arreglo a normas (AGMA 2001, B88 o DIN 3990) pero utilizando criterios conservadores en la evaluacin de los esfuerzos. Estos criterios entran en conflicto con la necesidad de reducir costos pero, para encontrar el equilibrio entre fiabilidad y precio, hay que tener muy claras las ideas sobre como se dimensionan los componentes. Un buen conocimiento de las cargas de fatiga y una gran precisin en el tallado de engranajes, son condiciones indispensables para garantizar la durabilidad de un multiplicador. Los factores metalrgicos juegan tambin un papel importante. En cada caso hay que estudiar las ventajas respectivas de la nitruracin y de la cementacin, muy en particular en lo que respecta a los esfuerzos permisibles en el contacto de los dientes.

198


ESHA - 2006

La eleccin de los cojinetes es crucial para el diseo del multiplicador. Por debajo de 1 MW pueden utilizarse rodamientos de rodillos. Sin embargo, para mayores potencias resulta difcil encontrar rodamientos con una garanta de vida aceptable, por lo que a partir de esa potencia se utilizan cojinetes hidrodinmicos. Efectivamente, la vida de los rodillos est limitada por el fenmeno de fatiga, mientras que los hidrodinmicos tienen una vida prcticamente ilimitada. Los cojinetes hidrodinmicos, por otra parte, admiten una cierta contaminacin del aceite, cosa que no es tolerada por los rodillos.6.3.3 Mantenimiento

El 70% de las averas son debidas a la deterioracin o a la deficiencia en el circuito del lubrificante: con frecuencia los filtros se atascan o entra agua en el circuito de lubricacin Por lo general los programas de mantenimiento se elaboran, ya sea prefijando los periodos de tiempo para cambio de filtros y de lubrificante, ya sea analizando peridicamente el lubrificante para mantener las condiciones especificadas. Esta ultima solucin es la ms recomendable. Los multiplicadores de engranajes aumentan considerablemente el nivel de ruido en la casa de mquinas y como hemos visto requieren un mantenimiento cuidadoso. La prdida de rendimiento por friccin puede alcanzar e incluso superar el 2% de la potencia, por lo que se buscan incansablemente soluciones alternativas, como la utilizacin de generadores de baja velocidad, conectados directamente a la turbina.

6.4 Generadores.El generador tiene como misin transformar en energa elctrica la energa mecnica suministrada por la turbina. En un principio se utilizaban generadores de corriente continua; actualmente, salvo rarsimas excepciones, solo se utilizan alternadores trifsicos de corriente alterna. En funcin de la red que debe alimentar, el proyectista puede escoger entre:

Alternadores sncronos equipados con un sistema de excitacin asociado a un regulador de tensin para que, antes de ser conectados a la red, generen energa elctrica con el mismo voltaje, frecuencia y ngulo de desfase que aquella, as como la energa reactiva requerida por el sistema una vez conectados. Los alternadores sncronos pueden funcionar aislados de la red. Alternadores asncronos, simples motores de induccin con rotor en jaula de ardilla, sin posibilidad de regulacin de tensin, girando a una velocidad directamente relacionada con la frecuencia de la red a la que estn conectados. De esa red extraen su corriente de excitacin y de ella absorben la energa reactiva necesaria para su propia magnetizacin. Esta energa reactiva puede compensarse, si se estima conveniente, mediante bancos de condensadores. No pueden generar corriente cuando estn desconectados de la red ya que son incapaces de suministrar su propia corriente de excitacin.

Los alternadores sncronos son ms caros que los asncronos y se utilizan, para alimentar redes pequeas, en las que su potencia representa una proporcin sustancial de la carga del sistema. Los asncronos se utilizan en grandes redes, en las que su

199


ESHA - 2006

potencia representa un porcentaje insignificante de la carga del sistema. Su rendimiento, en todo el campo de funcionamiento, es de un dos a un cuatro por ciento inferior al de los alternadores sncronos. Recientemente ha aparecido en el mercado, un generador de velocidad variable y frecuencia constante (VSG), ya empleado en turbinas elicas, con el que la turbina puede girar a velocidad variable, manteniendo constantes la tensin y la frecuencia. De esta forma la turbina puede girar siempre a la velocidad asociada al caudal que turbina, aumentando el rendimiento y reduciendo el coste. Estos sistemas permiten sincronizar el generador con la red, an antes de haber comenzado a girar. La clave del sistema reside en el uso de un convertidor serie-resonante en conjuncin con una mquina doblemente alimentada 12. Sus nicas limitaciones, por el momento, son su potencia mxima que es muy baja, y su elevado precio. La tensin de generacin viene determinada por la potencia del generador. Lo normal es generar a 380 V hasta 1.400 kVA y a 6000/6600 para potencias mayores. La generacin a 380 V tiene la ventaja de poder emplear como transformadores del grupo, transformadores normalizados de distribucin, y de poder extraer del secundario, la potencia necesaria para los servicios auxiliares de la central. Las turbinas de algunos MW de potencian utilizan alternadores que generan a una tensin ms elevada. Cuando se genera en alta tensin la potencia para los servicios auxiliares se extrae de la lnea a travs de un transformador AT/BT.Tabla 6.10: Rendimientos tpicos de los pequeos generadores Potencia [kW]10 50 100 250 500 100

Mejor rendimiento0,910 0,940 0,950 0,955 0,960 0,970

6,4.1 Disposicin del generador respecto a la turbina

Los generadores pueden ser de eje horizontal o de eje vertical, independientemente de cual sea el tipo o configuracin de turbina utilizada, pero por regla general los generadores adoptan la misma configuracin que la turbina. La figura 6.34 muestra una configuracin de turbina Kaplan de eje vertical, de 214 rpm, directamente acoplada a un generador de 28 polos. Con frecuencia se utiliza un volante de inercia para suavizar las variaciones de par y facilitar el control de la turbina.

200


ESHA - 2006

Figura 6.34. Generador de eje vertical conectado directamente a una turbina Kaplan

Otro criterio que caracteriza a los generadores es la disposicin de sus cojinetes. Con turbinas Francis de eje horizontal es bastante frecuente utilizar un generador horizontal con dos cojinetes y montar en voladizo el rotor de la turbina para evitar que el eje atraviese el tubo de aspiracin, lo que aumentara la prdida de carga y complicara su fabricacin. En las turbinas Pelton de eje horizontal suele emplearse la misma configuracin, disponiendo tambin en voladizo el rodete. Estos generadores, si son pequeos, se refrigeran con aire en circuito abierto, y cuando son mayores, se refrigeran por agua en circuito cerrado, empleando intercambiadores agua-aire.

6,4.2 Excitatrices

Para proporcionar excitacin a un generador sncrono se hace circular una corriente continua por el circuito de los polos inductores, lo que representa entre el 0,5% al 1% de la potencia til del generador. Aunque la tendencia es a utilizar excitatrices estticas an existen excitatrices rotativas. . Excitatrices rotativas de corriente continua Los inducidos de la excitatriz principal y auxiliar van montados sobre el eje del generador principal Utilizando dos excitatrices en cascada se amplifica la potencia y se regula la tensin, actuando sobre un circuito de poca potencia.Excitatrices de corriente alterna sin escobillas Se utiliza un pequeo generador de corriente alterna cuyo inducido va montado en el rotor del generador principal. La corriente se rectifica mediante un rectificador esttico, eliminndose el problema de mantenimiento de las escobillas. La tensin se regula mediante un equipo electrnico que acta sobre la excitacin de la excitatriz. Excitatrices estticas La corriente de excitacin se extrae de los terminales del generador principal, mediante un transformador. Esta corriente se rectifica mediante un equipo electrnico y se inyecta en el bobinado de excitacin rotrica del generador, gracias a un sistema de escobillas y

201


ESHA - 2006

anillos rozantes. Cuando el generador arranca no hay tensin en bornes y por lo tanto no se dispone de corriente de excitacin. Los magnetismos remanentes, ayudados si es necesario por una batera, permiten iniciar el funcionamiento, que se normaliza inmediatamente en cuanto la tensin en bornes alcanza un valor modesto. Estos equipos exigen menos mantenimientos, tienen buen rendimiento y la velocidad de respuesta del generador, ante las oscilaciones de tensin, es muy buena.

6.4.3 Regulacin de tensin y sincronizacin. Generadores asncronos

Un generador asncrono necesita, para asegurar su magnetizacin, tomar una cierta potencia reactiva de la red. La red es tambin la que marca la frecuencia, y el generador aumenta su deslizamiento a medida que aumenta la potencia suministrada por la turbina. El generador asncrono presenta la ventaja adicional de no necesitar excitatriz, lo que simplifica el equipo y facilita las maniobras secuenciales de arranque. Para ello se acta sobre la admisin de la turbina, acelerndola ligeramente por encima de su velocidad de sincronismo, momento en el que un sensor de velocidad da la orden de cierre del interruptor de lnea. El generador pasa rpidamente de la velocidad de hipersincronismo, a la necesaria para que se igualen los pares motor y resistente en la zona de funcionamiento estable.Generadores sincronos

El generador sncrono se arranca en vaco, actuando sobre la admisin de la turbina para aumentar gradualmente la velocidad. El generador se sincroniza con la red igualando previamente, en la mquina y en la red, las tensiones eficaces, las frecuencias, los desfases y el sentido de rotacin. Cuando el generador alcanza una velocidad prxima al sincronismo, se arranca la excitacin y se regula para que la tensin entre bornes sea igual a la tensin entre barras. En generadores acoplados a una red aislada, el regulador debe mantener un valor predeterminado de la tensin sea cual sea la carga. Si est acoplado a una red importante, el regulador mantendr el valor preajustado de la potencia reactiva.

6.5 Control de la turbinaLas turbinas se disean para una altura de salto y un caudal predeterminados. Cualquier variacin de estos parmetros debe compensarse abriendo o cerrando los dispositivos de control del caudal, tales como alabes directrices, vlvulas o compuertas, a fin de mantener constante, ya sea la potencia de salida a la red, el nivel de la lmina de agua en la toma o el caudal que atraviesa la turbina. En aprovechamientos que suministran energa a una red aislada, el parmetro a controlar es la velocidad del rodete, relacionado directamente con la frecuencia. En principio existen dos enfoques para regular la velocidad de estos grupos: variar el caudal de entrada a la turbina o disipar el exceso de potencia elctrica en bancos de

202


ESHA - 2006

resistencias. Al aumentar la demanda de energa, el generador se sobrecarga y frena la turbina. En el primer enfoque, la regulacin de la velocidad (frecuencia) se logra variando el caudal que entra a la turbina. Un sensor, mecnico o electrnico, detecta la variacin de velocidad y manda a un servomotor que modifique la apertura de los alabes del distribuidor (y eventualmente del rodete) de forma que admita ms agua, y por ende ms potencia hidrulica, a fin de que la turbina pueda satisfacer el incremento de la demanda. Del mismo modo, al disminuir la carga la turbina se acelera y el sensor enva una seal de signo contrario para cerrar los alabes del distribuidor. Estos aparatos se conocen bajo el nombre de reguladores de velocidad. En el segundo enfoque la turbina funciona con caudal constante y genera una potencia elctrica constante. Si el sistema demanda menos energa, la turbina tiende a embalarse; un sensor electrnico detecta el aumento de frecuencia y un dispositivo, conocido como controlador de carga, procede a disipar el exceso de energa en un banco de resistencias, manteniendo constante la demanda. Los reguladores que trabajan con arreglo al primer enfoque se construyen para toda la gama de potencias. Inicialmente fueron concebidos para grandes turbinas y luego rediseados para las turbinas pequeas. Los que trabajan con el segundo enfoque raramente sobrepasan el techo de los 100 kW.Reguladores de velocidad.

Un regulador de velocidad consta en esencia de un sensor que detecta cualquier desviacin de la velocidad con respecto al punto de consigna y un dispositivo que amplifica la seal transmitida por el sensor, para que ordene a un servomotor que accione los mecanismos que controlan el paso del agua a la turbina, manteniendo constante la velocidad y por tanto la frecuencia. En una turbina Francis, en la que se puede cortar el paso del agua cerrando los alabes del distribuidor, los mecanismos del servomotor tienen que ser muy robustos, para poder vencer la reaccin del agua y los rozamientos mecnicos en los ejes, y para mantener cerrados los alabes del distribuidor. Los reguladores pueden ser mecnicos, mecano-hidrulicos o electro-hidrulicos, segn la precisin y sofisticacin que se desee. Los mecnicos solo se utilizan en turbinas de algunos kilovatios de potencia, utilizando un centrfugo de bolas pesadas, que actan directamente sobre el distribuidor. En los mecano-hidrulicos (figura.6.35), se utiliza un centrfugo de bolas convencional actuando sobre un servomotor. Cuando, al aumentar la carga, la velocidad de la turbina disminuye, las bolas giran ms despacio y caen, desplazando la posicin del pistn en la vlvula piloto, para enviar el aceite a presin a la cmara superior del cilindro. El pistn desplaza una varilla que acta sobre el mecanismo de los alabes del distribuidor, aumentando o reduciendo la velocidad de la turbina En un regulador electro-hidrulico, un sensor electrnico, mide permanentemente la frecuencia ( y eventualmente la tensin) y transmite la seal a un sumidero en el que se la compara con el valor de consigna. Si la seal transmitida por el sensor difiere de la de consigna, el sumidero emite una seal de error (positiva o negativa), que una vez amplificada es enviada al servomotor para que acte en el sentido deseado. El servomotor es un cilindro hidrulico cuyo mbolo, segn sea el tipo de turbina, est

203


ESHA - 2006

conectado mecnicamente a los alabes directrices o al inyector, y es alimentado por una central hidrulica (foto 6.8) compuesta por un deposito de aceite, una bomba accionada

Foto 6.8: central hidrulica para el servomotor

por un motor elctrico que suministra aceite a presin al sistema, un acumulador de aceite a presin y las vlvulas de control. Todos estos mecanismos actan por accin y reaccin, corrigiendo en uno u otro sentido la posicin del distribuidor, lo que provoca una cierta inestabilidad en el grupo. En los sistemas mecano-hidrulicos eso se corrige intercalando un amortiguador hidrulico (ver figura 6.37) que retarda la apertura de la vlvula piloto. En los sistemas electro-hidrulicos se llega a un grado de sofisticacin muy superior, de forma que la correccin, que puede ser proporcional, integral o derivativa (PID), da lugar a un mnimo de variacin en el proceso de regulacin.

Figura 6.35: regulador de bolas y servomotor

Un generador asncrono conectado a una red elctrica estable no necesita controlador, porque su frecuencia est determinada por la red. Sin embargo cuando, por alguna causa, el generador se desconecta de la red, la turbina se embala. Tanto el multiplicador como el generador deben disear para que soporten este incremento de velocidad durante un cierto tiempo, hasta que se cierre la vlvula de entrada a la turbina, por los mecanismos de control correspondientes. 204


ESHA - 2006

Para controlar la velocidad de la turbina regulando la admisin de agua, se necesita que los componentes rotativos tengan una determinada inercia. Esta inercia adicional se consigue acoplando un volante al eje de la turbina. Cuando se abre el interruptor que conecta el generador a la red, la potencia disponible acelera el volante, de modo que al volver a conectar, la energa disponible en el volante minimiza la variacin de velocidad. a ecuacin bsica del sistema rotativo es la siguiente:

J

d = Tt TL dt

[Nm]

(6.32) [kg m2] [rad/s] [Nm] [Nm]

En la que:

J = momento de inercia de los componentes rotativos = velocidad angular Tt = par de la turbina TL = par debido a la carga

Cuando Tt es igual a TL, d/dt = O y = 0 por lo que la marcha es estable. Cuando Tt es igual o menor que TL, no es constante y el regulador tiene que intervenir para que la potencia de la turbina iguale la carga del generador. Pero no debe olvidarse que el control del caudal introduce un nuevo factor: las variaciones de velocidad en la columna de agua formada por las conducciones hidrulicas.. El efecto de los componentes rotativos es estabilizador mientras que el efecto de la columna de agua es desestabilizador. El tiempo de arranque del sistema rotativo, tiempo requerido para acelerar el equipo de cero a la velocidad de operacin viene dado por:

tm = J

2 R 2 n 2 = P 5086 P

[s]

(6.33)

mientras que la inercia rotativa de la unidad viene dada por el peso de los componentes que giran multiplicado por el radio de giro: R2. P es la potencia instalada en kW y n la velocidad de la turbina en rpm. El tiempo de arranque del agua, tiempo necesario para acelerar la columna de agua desde cero a V, a una energa especfica constante gH viene dada por:

tv =

LV gH

[s] gH = energa hidrulica especfica de la turbina L = longitud de la columna de agua V = velocidad del agua [J/kg] [m] [m/s]

(6.34)

En la que:

Para conseguir una buena regulacin es necesario que tm/tv > 4. Los tiempos reales de arranque del agua no superan los 2,5 segundos. Si el tiempo es mayor, habr que pensar en modificar los conductos de agua - ya sea disminuyendo la velocidad del agua o la longitud de los conductos, o instalando una chimenea de equilibrio. Tambin se podra aumentar la inercia de rotacin de la unidad, aadiendo un volante de inercia. Hay que

205


ESHA - 2006

pensar que al aumentar la inercia de rotacin de la unidad se mejorar el efecto del golpe de ariete y se disminuir la velocidad de embalamiento de la turbina.

6.6 Equipos de sincronizacin y proteccin elctrica.En todos los pases, los reglamentos para el suministro de electricidad, obligan a las compaas distribuidoras a mantener, entre limites muy estrechos, la seguridad y la calidad de servicio. El productor independiente, si su central est conectada a la red, tiene que operarla de forma que la compaa distribuidora pueda cumplir con esa obligacin. Para ello entre los terminales del generador y la lnea de salida se instalan dispositivos, que monitorizan el funcionamiento del equipo, protegen al generador, lo conectan a la red o lo aslan de la misma en caso de avera. La figura 6.38 muestra un esquema unifilar que cumple con los reglamentos espaoles.. La monitorizacin se lleva a cabo mediante aparatos ms o menos sofisticados para medir la tensin, intensidad y frecuencia en cada una de las tres fases, la energa producida por el generador, su factor de potencia, y eventualmente el nivel de agua en la

Figura 6.36 Esquema unifilar

206


ESHA - 2006

cmara de carga. La tensin e intensidad de corriente se monitorizan mediante transformadores de potencia (PTs) y de corriente (CTs), para reducir su valor, generalmente muy elevado, a niveles ms manejables. Para que los diferentes sistemas de proteccin puedan cumplir su misin, se necesita un interruptor principal, ya sea de aire comprimido, magntico o de vaco, capaz de aislar el generador de la red, an cuando est trabajando a plena carga. Como elementos de proteccin se necesitan: Rels de proteccin de la interconexin que garantizan la desconexin en el caso de un fallo en la red. Rels de mnima tensin conectados entre fases. Rels de mxima tensinProteccin tierra-estator Mxima intensidad, con actuacin temporizada e instantnea. Si el generador es de baja tensin estos rels pueden ser directos y estar instalados en el mismo interruptor. Retorno de energa Para detectar fallos en los arrollamientos del estator, y actuar antes de que se quemen, se utilizan rels diferenciales . Existen tambin rels que actan sobre el interruptor principal cuando la temperatura del generador o del transformador de salida sobrepasan los limites aceptables, o en el caso de tensiones superiores o inferiores a la normal.

Entre las protecciones mecnicas conviene incluir las siguientes: embalamiento de la turbina; sobre-temperatura en eje y cojinetes; nivel y circulacin del circuito de refrigeracin (si es que existe); nivel y circulacin del aceite a presin; nivel mnimo en la cmara de carga. El productor independiente es responsable de los sistemas de puesta a tierra de la instalacin, que deben ser diseados siguiendo instrucciones de la compaa distribuidora. El sistema de puesta a tierra vara con el nmero de unidades instaladas y con la configuracin de la central y su sistema de operacin. Por razones obvias, la central debe disponer de sistemas de contadores, para medirla energa activa suministrada a la red y la reactiva absorbida de la misma.

6.7 TelecontrolLa mayora de las pequeas centrales trabajan sin personal permanente y funcionan mediante un sistema automtico de control. Como no hay dos centrales iguales, resulta casi imposible definir su configuracin ptima. No obstante, existen requisitos de aplicacin general 1. Todo sistema debe contar con dispositivos de control y medida de accionamiento manual para el arranque, totalmente independientes del control automtico.

207


ESHA - 2006

2. El sistema debe incluir los dispositivos necesarios para poder detectar el funcionamiento defectuoso de cualquier componente importante, y poder desconectar inmediatamente la central de la red. 3. Tiene que haber un sistema de telemetra que recoja, en permanencia, los datos esenciales para el funcionamiento de la planta ponindolos al alcance del operador para que este pueda tomar las decisiones convenientes. Esos datos debern ser almacenados en una base de datos, para una ulterior evaluacin de la central. 4. Debe incluir un sistema de control inteligente para que la central pueda funcionar sin personal. 5. Debe ser posible acceder al sistema de control desde un punto alejado de la central para poder anular cualquier decisin tomada por el sistema inteligente. 6. El sistema debe poder comunicar con las centrales situadas aguas arriba y aguas abajo, si es que existen, para optimizar la operacin del conjunto. 7. La anticipacin de fallos constituye una mejora importante del sistema. Utilizando un sistema experto, en conjuncin con una base de datos operacional, se pueden detectar los fallos antes de que se produzcan y tomar las decisiones necesarias para que no ocurran. El sistema debe configurarse por mdulos: un mdulo de conversin analgico a digital para medir nivel de agua, ngulo de los alabes distribuidores (y o del rodete), potencia instantnea, temperaturas, etc.; un mdulo de conversin digital a analgico para accionar las vlvulas del circuito hidrulico, los registradores etc.; un mdulo para contar los kWh generados, el caudal, la intensidad de precipitacin etc.; un mdulo inteligente de telemetra con las interfaces de comunicacin, va lnea telefnica, radio etc. Este enfoque modular se presta a satisfacer los diferentes requisitos de cada central, permitiendo la normalizacin del hardware y del software, reduciendo el costo y facilitando el mantenimiento. Los sistemas de control automticos contribuyen a aumentar la disponibilidad de la central, y a hacer trabajar las turbinas con una mayor eficiencia, produciendo as ms kWh, con el mismo volumen de agua. Con la generalizacin de los ordenadores personales, los precios de estos equipos resultan inferiores a los de los antiguos procesadores programables (PLC). La posibilidad de utilizar nuevos componentes, como discos duros y una variedad de perifricos la alimentacin en corriente continua procedente de las bateras de la central; la variedad y fiabilidad de las tarjetas de entrada y salida de datos; los dispositivos de vigilancia (.watch dog.) del funcionamiento de la CPU, son otros tantos triunfos en manos del proyectista que puede ensamblar a bajo precio el hardware necesario, utilizando componentes estndar. El software se disea tambin con criterio modular para que su adaptacin a cada planta puede hacerse rpidamente y a bajo coste. La generalizacin de los sistemas CAD permiten dibujar con precisin un sinptico de la planta y visualizar los diferentes componentes que intervienen en el sistema. Los nuevos microprocesadores hacen posible el trabajo en tiempo real para hacer frente a las alarmas y acontecimientos. Los

208


ESHA - 2006

nuevos lenguajes de programacin permiten programar fcilmente secuencias lgicas como las de arranque y parada.

6.8 Equipo elctrico auxiliar6.8.1 Transformador de servicio

El consumo propio de la central, incluidos los dispositivos mecnicos e hidrulicos y la iluminacin, es del orden del 1 al 3 por ciento de su capacidad; las micro centrales (menos de 500 kW) tienen un consumo porcentual ms elevado. El transformador de servicio debe disearse pues, para esa carga. Para alimentar ese transformador, en una central sin personal permanente, hay que prever, si es posible, dos fuentes exteriores de suministro diferentes, con intercambiador automtico6.8.2 Suministro de corriente continua para el sistema de control

Las centrales, sobre todo si estn operadas por control remoto, necesitan un sistema permanente de corriente continua a 24 V proporcionado por un banco de bateras. La capacidad del banco en amperios hora debe ser suficiente para que en caso de corte de corriente al cargador, el funcionamiento del sistema de control quede asegurado, en tanto se toman las medidas pertinentes para recuperar el suministro.6.8.3 Registro de niveles en la cmara de carga y en el canal de descarga

En una central es absolutamente necesario conocer en todo momento nivel de agua aguas arriba y aguas abajo de la turbina. El mtodo ms sencillo utiliza una regla graduada en metros y centmetros, al estilo de las miras topogrficas, que alguien tiene que observar fsicamente para poder registrar las lecturas. En una central sin personal este sistema es a todas luces inadecuado. El sistema tradicional utiliza un flotador que registra el nivel sobre una cinta de papel continuo, pero su lectura posterior es engorrosa. Si la central tiene un sistema de control automtico, lo ms lgico es utilizar para ese fin un dispositivo equipado con transductores conectados al ordenador, que acumula las lecturas en una base de datos y enva estos al programa para que tome las medidas oportunas, entre las que se incluye la emisin de una alarma cuando se considere necesaria una intervencin externa. Actualmente se tienden a separar el sensor y el transductor. El sensor se colocar all donde se quiere efectuar la medida, o en sus cercanas, con lo que es fcil que est sujeto a condiciones muy desfavorables y de difcil acceso. El transductor podr estar situado en una zona segura y fcilmente accesible con lo que se facilita su vigilancia y su mantenimiento. El sistema a utilizar en las medidas de nivel viene condicionado a la precisin con que se quiere efectuar la medida; en el caso de las pequeas centrales un sensor piezoelctrico, con una precisin del 0,1% ser suficiente. La eleccin del punto de medida resulta tambin particularmente critico; la colocacin del sensor en un punto donde puede haber variaciones importantes de la velocidad de corriente dar lugar a resultados errneos.

209


ESHA - 2006

Figura 6.37 medida de niveles de agua

El sensor de nivel puede transmitir la seal utilizando el mtodo hidrosttico (figura 36 a) o el neumtico (figura 36 b). En el primer caso hay que cuidar que los tubos que transmiten la presin no puedan obstruirse ni puedan acumular aire. En el segundo caso hay que conseguir que el orificio del sensor .del que salen las burbujas de aire- est cerca del nivel de la lamina de agua en el inicio de las mediciones o por debajo de el y que el agua no pueda penetrar en los tubos. La mejor solucin es ocultar el sensor y sus tubos en el interior de la pared, de forma que est sea plana y no produzca alteraciones locales en la velocidad de la corriente y la proteja al mismo tiempo de cualquier golpe eventual.6.8.4 Subestacin exterior

Foto 6.9: subestacin ubicada en la casa de mquinas

La subestacin, situada normalmente al aire libre, incluye el interruptor principal, que asla de la red toda la central, as como las barras de conexin entre la salida del transformador y la lnea de conexin a la red, los transformadores propiamente dichos,

210


ESHA - 2006

los pararrayos y la proteccin contra sobretensiones en la red. En zonas de marcada sensibilidad ecolgica la subestacin se ubica en el interior de la casa de mquinas (foto 6.9) y la salida de los cables de conexin a la red corren sobre la tubera forzada hasta la cmara de presin, de donde salen va area o enterrados.

EjemploEl siguiente ejemplo ayudar a comprender los conceptos expuestos en este captulo y en particular la utilizacin del concepto velocidad especfica. Hay que seleccionar una turbina para equipar un aprovechamiento de 200 m de altura neta con un caudal nominal de 1,5 m3/s. La casa de maquinas est situada a una altitud de 1.000 m. Segn tabla 6.3 o la figura 6.26, el punto correspondiente a la a combinacin altura caudal cae dentro de la envolvente de una turbina Francis y en el de una turbina Pelton. La velocidad del rotor viene dado en funcin de QE por la ecuacin 6.5:[rps] = = 240,7 QE . Q 1,5 Si escogemos una Pelton de una tobera, el valor mximo para QE, de acuerdo con la tabla 6.2 sera 0,0025, y la velocidad del rotor 360 rpm. n= Como queremos que la turbina est directamente acoplada a un generador, la velocidad de giro deber ser sncrona. De acuerdo con la tabla 6.5 tendramos que escoger una velocidad de 333 rpm, - 5,55 rps - y segn 6.5, QE sera:

QE E

1

4

QE (9,81 200)1 4

QE =

n Q E14

=

(9,81 200)1 4

5,55 1,5

= 0,023

[-]

Las dimensiones principales de la Pelton de acuerdo con 6.18, 6.20 y 6.21 seran:D = 40,7 Hn n = 40,7 200 = 1,728 333[m]

Dt = 1,178

Q ntob Q ntob

1 gH n 1 Hn

= 1,178

1,5 1 = 0,217 4 9,81 200

[m]

B2 = 1,68

= 1,68

1,5 1 = 0,547 1 200

[m]

[m] dimensiones excesivamente grandes para una pequea central.

211


ESHA - 2006

Pensando en una Pelton horizontal con cuatro toberas, la mxima velocidad especfica QE , segn la tabla 6.2, sera 0,025 x n0,5 = 0,050. Utilizando las mismas formulas que para el caso anterior, escogeramos una velocidad de giro de 600 rpm lo que correspondera a una QE de 0,042. Las dimensiones fundamentales de la Pelton seran D1 = 0,962 m, B2 = 0,274 m, y Dt=0,108 m, dimensiones muy razonables. Si escogiramos una turbina Francis, el valor mximo de QE sera 0,33 (tabla 6.2). Aplicando la ecuacin 6.5, la velocidad de giro sera n = 4.765,8 rpm que est muy lejos de ser una velocidad sncrona. Si escogemos una velocidad normal para el generador de 1.500 rpm, la QE de acuerdo con 6.5 sera:

QE =

n Q E1 4

=

25 1,5

(9,81 200) 14

= 0,104

[-]

Las dimensiones fundamentales del rotor de la Francis seran.D3 = 84,5 (0,31 + 2,488 QE ) Hn 60 n = 84,5 (0,31 + 2,488 0,104 ) 200 = 0.453 m 60 25

0,095 0,095 D1 = 0,4 + 0,453 = 0,595 m D3 = 0,4 + 0,104 0,104 Como QE < 0,164 podemos considerar que D2 = D1 = 0,595 m. De acuerdo con 6.28, el coeficiente de cavitacin sera : V2 22 1, 41 1, 41 = 1,2715 QE + = 1,2715 0,104 + = 0,0533 2 9.81 200 2 gH n De acuerdo con la ecuacin 6.27, la turbina deber instalarse a una altura: P Pv V 2 90.250 880 22 H S = atm + Hn = + 0,0533 200 = 1,53 [m] g 2g 1000 9,81 2 9,81 Una instalacin que requiere unos trabajos de excavacin importantes. Si hubisemos elegido una Francis a 1.000 rpm tendramos: QE = 0,069, D3 = 0,576 m. , D1 = 1.02 m. , = 0,0305 y HS= 3,21 m que no requiere excavacin. La eleccin final obedecer a criterios econmicos. Si el caudal muestra variaciones importantes, la turbina Pelton de 4 toberas ser una buena eleccin. En otro caso la eleccin recaera en la Francis de 1.000 rpm que no requiere excavacin.

212


ESHA - 2006

Actualizado por Vincent Denis (MHyLab), Jean-Pierre Corbet (SCPTH), Jochen Bard (ISET), Jacques Fonkenell (SCPTH) y Celso Penche (ESHA)

1

Bibliografa

2

L. Vivier, "Turbines hydrauliques et leur rgulation", Albin Michel, Paris, 1966

3

J. Raabe, Hydro Power, The design, use and function of hydromechanical, hydraulic and electrical equipment, VDI Verlag, 1985, ISBN 3-18-400616-6 T. Jacob, "Machines hydrauliques et quipements lectro-mcaniques", EPFL 2002 V. Denis, "Petites centrales hydrauliques", EPFL 2002 Off. fdral des questions conjoncturelles, "Turbines hydrauliques", Bern, 1995, ISBN 3-905232-54-5

4

5

6

Off. fdral des questions conjoncturelles, "Gnrateurs et installations lectriques", Bern, 1995, ISBN 3-905232-55-38

7

Off. fdral des questions conjoncturelles, "Rgulation et scurit d'exploitation", Bern, 1995, ISBN 3905232-56-1

9

A.Harvey, "Micro Hydro design manual, A guide to small scale water power schemes, Intermediate technology Publications, London, 1993, ISBN 1-85339-103-4

Socit Hydrotechnique de France, "Design, construction, commissioning and operation Guide", May 1985 F. de Siervo & A. Lugaresi, "Modern trends in selecting and designing Pelton turbines", Water Power & Dam Construction, December 1978 F. de Siervo & F. de Leva, "Modern trends in selecting and designing Francis turbines", Water Power & Dam Construction, August 1976 13 F. de Siervo & F. de Leva, "Modern trends in selecting and designing Kaplan turbines", Water Power & Dam Construction, December 1977, January 1978 A Lugaresi & A. Massa, "Designing Francis turbines: trends in the last decade", Water Power & Dam Construction, November 198715 14 12 11

10

A Lugaresi & A. Massa, "Kaplan turbines: design trends in the last decade", Water Power & Dam Construction, May 1988

L. Austerre & J.de Verdehan, "Evolution du poid et du prix des turbines en fonction des progrs techniques", Compte rendu des cinquimes journes de l'hydraulique, 1958, La Houille Blanche H.Giraud & M.Beslin, "Optimisation d'avant-projet d'une usine de basse chute", Symposium AIRH. 1968, Lausanne T.Belhaj, "Optimisation d'avant-projet d'une centrale hydrolectrique au fil de l'eau" Symposium Maroc/CEE Marrackech 198919 18 17

16

J.L.Gordon "A new approach to turbine speed", Water Power & Dam Construction, August 1990

J.L.Gordon "Powerhouse concrete quantity estimates", Canadian Journal Of Civil Engineering, June 1983

20

213

Gua para el desarrollo de una pequea central hidroelctrica21

ESHA - 2006

F. Schweiger & J. Gregori, "Developments in the design of Kaplan turbines", Water Power & Dam Construction, November 198722

F. Schweiger & J. Gregory, "Developments in the design of water turbines", Water Power & Dam Construction, May 198923

J. Fonkenell, How to select your low head turbine, Hidroenergia 1991.

214


ESHA - 2006

CAPITULO 7 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Y SU MITIGACIN7 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Y SU MITIGACIN ........................................217 7.1 Introduccin. ....................................................................................................217 7.2 Identificacin de impactos ...............................................................................218 7.3 Los impactos en fase de construccin .............................................................220 7.3.1 Embalses .................................................................................

guide shp es 02

Documents