Memoria

 

de

 

una

 

Central Hidráulica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.- Conceptos generales sobre centrales hidráulicas.

 

1.1.- Introducción.

           

            Inicio el estudio de las centrales eléctricas. Pero antes, y para evitar confusiones, definiremos el concepto de Central eléctrica y otros conceptos relacionados con las centrales eléctricas, para lo que utilizaremos las definiciones expresadas en el Vocabulario Electrotécnico Internacional.

Llamaremos central eléctrica al conjunto de maquinas motrices generadores, aparatos de maniobra y protección etc... que sirven para la producción de energía eléctrica. En realidad, el nombre de “central eléctrica “, es la abreviación de central generadora de energía eléctrica lo que hay que tener en cuenta para evitar confusiones con otros conceptos relacionados.

La central eléctrica se denomina Central térmica cuando la energía eléctrica se produce por medio de máquinas motrices térmicas (turbinas de vapor, motores Diesel, etc..), central hidráulica cuando las maquinas motrices son turbinas hidráulicas y central nuclear cuando se aprovecha la energía  existente en los núcleos atómicos de ciertos cuerpos.

 

Se llama subcentral eléctrica y, también, subestacion eléctrica, al conjunto de aparatos y dispositivos de transformación, conversión y distribución de energía eléctrica, instalados en un edificio o al aire libre y cuya misión es alimentar una red eléctrica.

Entre las subestaciones eléctricas, distinguiremos:

 

1.            Subestacion transformadora.  Destinada a transformar la co­rriente alterna de una tensión determinada, en corriente alterna de otra tensión diferente.

 

2.            Subestación convertidora  Destinada a convertir la corriente alterna en corriente continua, o viceversa.

 

3'            Subestación distribuidora  Como su nombre indica, destinada a distribuir la energía eléctrica sin modificar sus características.

 

 

 

1.2.- Tráficos de carga.

 

Las centrales eléctricas están destinadas a alimentar diversos re­ceptores eléctricos (alumbrado, motores, hornos, etc.). Del número y presencia de estos receptores que en un momento dado, estén conec­tados en un momento dado, estén conectad­os a la red, dependerá la potencia que deba proporcionar la central eléctrica para cubrir la demanda. Pero sucede que esta demanda de energía eléctrica es variable en cada época del año, en cada día del año y, dentro de cada día, es variable también a las distintas horas día.

 

 

 

 

 

 

 

1.3.- Características de carga de una central eléctrica.

 

            Voy a definir y estudiar algunos conceptos relacionados con la carga que puede suministrar una central eléctrica y con la demanda de energía de los consumidores.

 

            Estos conceptos son :

 

a)   Potencia instalada.

b) Factor de carga.

c)   Factor de demanda.

d) Factor de instalación.

e)   Utilización anual.

f)    Factor de utilización.

g)   Factor de reserva.

 

 

 

- Potencia instalada.

 

            Es la suma total de las potencias nominales de todos los receptores de energía conectados con la red que alimenta la central. Se la llama también carga instalada.

 

- Factor de carga.

 

            Para tener una medida que indique la naturaleza de la carga instalada, se introduce el denominado factor de carga, definido como la relación de la potencia media a la potencia máxima de punta, es decir.

 

 

                                              Potencia media en KVA

                                    m  = --------------------------------

                                             Potencia máxima en KVA

 

 

Para una central eléctrica resulta desfavorable que el factor de a pequeño puesto que ello indica que, a pesar de tener que destruirse la central para la potencia de punta P _max no suministra mas un pequeño porcentaje de este valor, de forma que la central desa­provecha durante casi todo el día sus posibilidades, ya que la punta de intensidad solamente se precisa durante breves periodos de tiempo.

Cuando la central es de pequeña potencia, para aumentar el valor del carga, lo que se hace es disponer un generador principal, un grupo de generadores, que cubra los periodos de carga pequeña normal, y uno o varios generadores auxiliares que entran en fun­cionamiento durante las horas de máxima demanda de energía.

Cuando la central es de gran potencia o se trata de varias centrales que sobre una misma red, se disponen centrales auxiliares cuya misión es, exclusivamente, cubrir la demanda de energía en las horas punta.

 

 

 

- Factor de demanda

 

            La relación entre la demanda máxima de un sistema y la potencia instalada o sea :

 

                                                         Demanda máxima en KVA

                                                   a = --------------------------------------

                                                          Potencia instalada en KVA

 

 

            Generalmente esta relación oscila entre 0.2 para instalaciones de pequeña potencia y 0.5 para instalaciones de gran potencia.

 

 

- Factor de instalación

 

            Esta relacionado con el anterior, ya que una central eléctrica determinada, se proyecta para suministrar una demanda determinada. El factor de instalación es la relación entre la potencia total de la central  y la potencia conectada a la red alimentada por dicha central, es decir.

                                                Potencia total de la central en KVA

                                    b = ---------------------------------------------------

                                                    Potencia instalada en KVA

 

 

Para aclarar los conceptos  de factor de demanda y factor de instalación, voy a poner un ejemplo. Supongamos un edificio que contiene 500 lamparas de 100W ; la potencia instalada será :

 

                                    500 × 100 = 50000 W

 

Naturalmente, nunca estarán todas las lamparas conectadas en funcionamiento ; si el numero máximo de  lamparas conectadas es de 120 la demanda será :

 

                                    120 × 100 = 12000 W

 

y el factor de demanda

                                             12000

                                    a = ------------ = 0.24

                                                         50000

 

Ahora supongamos que para suministrar la energía eléctrica necesaria, disponemos de un grupo electrógeno cuya potencia es de 20 KW. El factor de instalación distinto del factor de demanda pero evidentemente relacionado con el será :

 

                                            20000

                                    b = ------------ = 0.4

                                           50000

 

 

En la práctica el factor de instalación adopta los siguientes valores :

 

Para pequeñas instalaciones ( hasta unos 5000 habitantes )...........b            = 0,2            a 0,3

Para poblaciones hasta unos 20.000 habitantes.............................b= 0,3    a 0,35

Para centrales agrícolas................................................................b = 0,25 a 0,28

Para grandes centrales..................................................................b = 0,4 a 0,5

 

Al factor de instalación se le conoce también con el nombre de factor de simultaneidad..

 

 

- Utilización anual

 

Es el número de horas anuales que debería trabajar la instalación plena carga, para que la energía producida fuese igual a la que la central produce en un año, trabajando a carga variable.

Un ejemplo bastará para aclarar esta definición. Si una central 2000 kw de potencia, ha producido en un año 7.000.000 kw-h, con las variables, que dependen de diversas causas (por ejemplo, la anda de los consumidores), la utilización anual de esta central.

 

 

                                                         7000000

                                                    --------------- = 3500 horas

                                                            2000

 

 los que quiere decir que, para suministrar esa energía hubiera debido trabajar 3.500 horas al año. La utilización anual se denomina también duración de aprovechamiento y en la práctica, alcanza estos valores :

 

Para suministros a pequeñas ciudades........................................1200 a 2000 horas

Para suministros agrandes ciudades...........................................2000 a 3500 horas

Para grandes suministros ( regionales ) .....................................3500 a 5000 horas

 

Eventualmente, estos valores pueden aumentar.

 

 

 

- Factor de utilización.

 

            La relación entre el numero de horas de utilización anual y el numero total de horas del año.

                                           Numero de horas de utilización anual

                                    c = ------------------------------------------------

                                           Numero total de horas del año

 

 

 

 

 

 

En el ejemplo expuesto en el párrafo anterior, tendremos.

            Numero total del año 365 × 24 = 8760

                        Numero de horas de utilización anual = 3500

 

                                                          3500

                                              c = ------------ = 0.4

                                                        8760

 

 

            En la práctica para la determinación de la energía suministrada por un central durante un año, podemos adoptar estos valores para el factor de utilización :

 

Para suministros a pequeñas ciudades...........................................c = 0,15 a 0,25

Para suministros a grandes ciudades............................................ c =  0,25 a  0,4

Para grandes suministros ( regiones )........................................... c = 0,4 a  0,55

 

 

- Factor de reserva.

 

            No basta con construir una central para la máxima punta de potencia que aparezca durante el año. Un grupo de generadores puede quedar parado, por avería o por inspección. Por lo tanto, hay que disponer una reserva de maquinas que sustituya a las que han quedado fuera de servicio. Lo que, quiere decir que la potencia total de la central ha de ser mayor que la potencia máxima para la que ha sido proyectada..

            Este hecho se expresa por medio del factor de reserva que es la relación entre la potencia total de la central y la potencia máxima que ha de suministrar, o sea :

 

                                              Potencia total de la central en KVA

                                    d = --------------------------------------------------

                                           Potencia máxima de la central en KVA

 

            El factor de reserva es siempre mayor que la unidad y, en la práctica, alcanza estos valores :

 

Para pequeñas instalaciones y pueblos............................................. d = 1,3 a 1,6

Para poblaciones medias................................................................. d = 1,6 a 1,75

Para centrales agrícolas...................................................................d = 1,6 a 1,7

Para grandes ciudades.....................................................................d = 1,8 a 2 

 

En  muchas ocasiones, no es necesario que cada central tenga su propia reserva. Si varias centrales están interconectadas entre sí, pod­emos hacer que una de ellas trabaje sin reserva, suponiendo que en caso de avería en sus generadores, la potencia que falta será suministrada por las otras centrales interconectadas.

 

 

 

 

 

 

 

1.-4.- Tipos de centrales eléctricas

 

Según el servicio que hayan de prestar las centrales eléctricas se pueden clasificar en:

 

- Centrales de base, destinadas a suministrar la mayor parte de la energía eléctrica, de forma continua. Estas centrales llamadas también centrales principales, son de gran potencia y utilizan generalmente como máquinas motrices las turbinas de vapor, turbinas de gas y turbinas hidráulicas.

 

- Centrales de puntas, exclusivamente proyectadas para cubrir las demandas de energía eléctrica en las horas - punta; en dichas horas - punta, se ponen en marcha y trabajan en paralelo con la central principal. Si la central de base es de pequeña po­tencia, se utilizan grupos electrógenos cuya máquina motriz es un motor de explosión; si la central de base es mayor, se uti­lizan generalmente pequeñas con motores Diesel.

 

- Centrales de reserva, que tienen por objeto sustituir total o parcialmente a las centrales hidráulica de base en casos de escasez de agua o avería en algún elemento del sistema eléctrico. No deben confundirse con las centrales de puntas, anteriormente citada, ya que el funcionamiento de las centrales de puntas es periódico ( es decir, todos los días a ciertas horas) mientras que el de las centrales de reserva es intermitente. Como cen­trales de reserva se utilizan, normalmente, centrales térmicas cuyas máquinas motrices son turbinas de vapor y, en instala­ciones de pequeña potencia, motores Diesel.

 

- Centrales de socorro, tienen igual cometido que las centrales de reserva citadas anteriormente; pero la instalación del conjunto de aparatos y máquinas que constituyen la central de reserva, es fija, mientras que las centrales de socorro son móviles y pue­den desplazarse al lugar donde sean necesarios sus servicios. Estas centrales son de pequeña potencia y generalmente accionadas por motores Diesel; se instalan en vagones de ferrocarril o en barcos especialmente diseñados y acondicionados para esta misión.

 

- Centrales de acumulación o de bombeo que son siempre hidroeléctricas. Se aprovecha el sobrante de potencia de una central hidroeléctrica en las horas de pequeña demanda, para elevar agua de un río o de un lago hasta un depósito, mediante bom­bas centrífugas accionadas por los alternadores de la central, que se utilizan como motores. En los periodos de gran demanda de energía, los alternadores trabajan como generadores accio­nados por las turbinas que utilizan el agua previamente elevada anteriormente.

 

 

1.5.- Suministro de energía eléctrica

 

Casi todo el suministro de energía eléctrica que se efectúa en la actualidad es corriente alterna trifásica a 50 Hz. Las otras clases de corriente solamente se utilizan en casos excepcionales. Por ejemplo, la corriente continua apenas se produce ya directamente, sino que se obtiene en subcentrales convertidoras, a partir de la corriente trifasica. En nuestras explicaciones y mientas no digamos expresamente lo contrario, nos referimos a la corriente alterna trifásica, a 50 Hz.

 

 

 

Para indicar los más importantes elementos de suministro y dis­tribución eléctricos, utilizaremos normalmente el kilovoltio (abreviado kv), como unidad de tensión, recordando que :

 

1 KV = 1000 V

 

Para pequeños abonados e industriales, la distribución de energía eléctrica se efectúa generalmente a la tensión de 127/220 V

 

 

 

 

 

2.- Constitución general de una central hidráulica

 

 

2.1.- Generalidades.

 

El agua que corre sobre la superficie de la tierra en los ríos, tiene una energía cinética que gasta venciendo los obstáculos que se oponen a su libre curso, y, de esta forma desarrolla calor, transporta materiales, erosión los márgenes y el fondo, etc... Esta energía cinética depende de la velocidad del agua la que a su vez, es función de la pendiente y de la rugosidad del cauce. Es imposible anular totalmente esta rugosidad  pero puede disminuirse y como  conse­cuencia, el mismo caudal de agua podría circular con menor pen­diente. De esta forma que podría derivarse la corriente de agua por canal lateral con menor rugosidad y menor pendiente que el cauce primitivo. Con esto, la diferencia de nivel entre las aguas del canal y el cauce del río iría aumentando a medida que fuese mayor la; longitud del canal. En un punto apropiado podríamos pasar este canal de agua por máquinas motrices hidráulicas que transformaran la energía potencial del agua en energía actual devolviendo después el agua al río. De esta manera habríamos conseguido un salto de agua ( es decir, un desnivel ), con canal de derivación.

 

También se puede obtener este desnivel, elevando el nivel del agua por atajamiento de la corriente mediante una presa o azud. En este caso aguas arriba del obstáculo puesto a la corriente, aumenta la sección en contacto con el agua, disminuye la velocidad necesaria del agua para dejar pasar el caudal del río y la pendiente necesaria obtener dicha velocidad es menor que la que tenía la corriente. pendiente superficial va aumentando a medida que, aguas arriba, resulta menor la sección en contacto con el agua y de esta manera se forma una curva de remanso, que se enlaza tangencialmente con la superficie de las aguas en la parte del cauce no afectada por el remanso. Por consiguiente, se produce un nuevo régimen para la corriente, que permite formar un salto de agua aprovechable junto a la presa.

Entre  las dos soluciones citadas (canal de derivación y presa) caben soluciones mixtas que son las más utilizadas: se ataja el río con una presa que embalse las aguas, las cuales se derivan, junto a esa, con un canal que se prolonga hasta el punto conveniente en que se sitúa la central, es decir, las turbinas hidráulicas y los generadores por ellas accionados. De esta forma, el salto de agua se obtiene en parte por la elevación del nivel de agua en la presa y en por la menor pendiente del canal respecto al cauce.

 

 

Indudablemente, el aprovechamiento de la energía hidráulica, no hubiera sido posible sin la turbina; pero este aprovechamiento hu­biera sido muy limitado sin la conversión de la energía mecánica turbina, en energía eléctrica que, como sabemos, puede transmitirse a largas distancias. Esta característica de la energía eléctrica permitido aumentar el radio de acción de los aprovechamien­tos hidroeléctricos. Antes, siendo muy limitada la capacidad de consumo dentro de la limitada distancia de transporte, las instalacio­nes hidroeléctricas eran de escasa potencia. Actualmente, sin la limi­tación indicada, la tendencia es a realizar grandes aprovechamientos embalses de cabecera, que determina la regulación anual del río y depósitos reguladores, situados en lugares apropiados, con los que se consigue la regulación diaria o semanal. En conjunto, se pretende el  aprovechamíento integral de un río o de una cuenca completa (es decir, un río y todos sus afluentes), mediante sucesivos saltos de agua, construidos en los lugares más apropiados (por ejemplo en los sitios de mayor desnivel, o cuando el cauce es angosto y elevado porque entonces la presa resulta más económica de construir, etc...).

 

 

2.2.- Clasificación de las centrales hidráulicas.

 

            Los tipos de centrales son variadisimos ya que en todos los casos, la construcción de una central hidráulica debe subordinarse a la especial situación del río, embalse, etc... cuya energia se pretende aprovechar. De todas maneras, las centrales hidráulicas pueden clasificarse en

 

1.- Centrales de alta presión: Alturas de saltó hidráulica superiores a los 200 m. Como máquinas motrices se utilizan, generalmente, turbinas Pelton o, para los saltos de menor altura, turbinas Fran­cis lentas.

 

2.- Centrales de media presión: Alturas de salto hidráulica compren­didas entre 20 y 200 m. Las máquinas motrices empleadas son las turbinas Francis medias y rápidas, correspondiendo estas úl­timas a los saltos de menor altura, dentro de los límites indicados.

 

3.- Centrales de baja presión. Alturas de salto hidráulica, inferiores a 20 m. Es la zona de utilización de las turbinas Francis extra­rrápidas, de las turbinas de hélice y, sobre todo, de las turbinas Kaplan.

 

Las centrales hidráulicas también se clasifican como sigue:

 

a) Centrales de agua corriente

b) Centrales de agua embalsada

 

            Las centrales de agua corriente se construyen en los sitios en que la energía hidráulica disponible puede utilizarse directamente para accionar las turbinas de tal formas que de no existir la, central esta energía hidráulica se desperdiciaría. Como sabemos, el caudal de un río es variable en las diferentes estaciones del año ; además, en muchos casos, hay que contar con años de sequía y años con abundancia de agua. La central de agua corriente puede construirse para el  mínimo disponible de caudal pero entonces, en las épocas con abundante caudal, el exceso es desaprovechado; también puede construirse para el caudal máximo y, en este caso, en las épocas de escasez de agua la central trabaja con poca carga y, por lo tanto,

con poco rendimiento.

La solución más económica, y la que se emplea actualmente es una solución media entre los dos extremos citados. En las centrales embalsadas  se consigue un embalse artificial o pantano, en el cual se acumula el agua, que podemos aprovechar en la central, según las necesidades El embalse se consigue, actualmente, por medio de una presa situada en lugares apropiados del río (por ejemplo, en sitios angostos y de márgenes rocosas>.

 

 

 2.3.- Disposición general de una central hidráulica.

 

            Ya he dicho que para la formación de un salto de agua es preciso elevar el nivel superficial de ésta sobre el nivel normal de la corriente, atajando el agua con una presa para producir el salto total utilizable en la misma presa o contribuir a este salto, derivando a la vez las aguas por un canal de derivación de menor pendiente que el cauce del río. Las aguas del canal de derivación hay que con­ducirlas a las turbinas y, para ello, en los saltos menores de unos 12 m, el agua desemboca directamente en la cámara de turbinas y, en los saltos superiores a 12 m, termina en un ensanchamiento llamado cámara de presión desde donde parte la tubería a presión que en conducción forzada, lleva el agua a las turbinas. A la salida de las turbinas, el agua pasa a un canal de desagüe por el que desemboca nuevamente en el río. Esto en términos generales; pero existen nu­merosas variantes de esta disposición, de las que vamos a estudiar a continuación las más utilizadas en la práctica, citando ejemplos de centrales ya construidas.

 

 

 

 

2.4.- Aprovechamiento hidroeléctrico de un río en uno o en varios escalones.

 

            En un largo tramo del río que se trata de aprovechar debe estudiarse si es preferible aprovechar su desnivel en una sola central hidroeléctrica, o en varias centrales, dividiendo el tramo en otros de menor  altura útil. Desde el punto de vista de la construcción e instalación de la maquinaria, la solución más económica es casi siempre  la de sola una central. Pero , para que resulte también la economia en gastos de explotación y financiación, es necesario que el mercado de consumo esté en disposición para utilizar en breve tiempo toda o la mayor parte de la energía que es capaz de producir el aprovechamiento hidroeléctrico.

            Si esta utilización tardase en conseguirse bastantes años los gastos de construcción, conservación, explotación y amortización gravarían la energía utilizada haciéndola antieconómica y en estos casos es preferible construir sucesivos escalones a medida que las necesidades del consumo así lo exigieran.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.- Elementos de una central  hidráulica.

 

3.1.- Generalidades.

 

            A continuación estudio con algún detalle, los elementos constructivos que constituyen una central hidráulica ; estos elementos son :

 

              1.- Presa.

              2.- Canal de derivación.

              3.- Tubería de presión.

              4.- Compuertas.

              5.- Accionamiento de la compuertas

              6.- Organos de obturación ( válvulas )

              7.- Cámara de turbinas.

              8.- Tubo de aspiración.

              9.- Canal de desagüe.

            10.- Casa de máquinas.

 

 

1.- Presa.

 

            Se llama presa en general a una construcción que se levanta en el lecho del río para atajar el agua, produciendo una elevación de su nivel que permite la derivación de ella, o bien para almacenar el agua regulando el caudal del río.

            Por el objeto para que están construidas, las presas se dividen en dos grandes grupos:

 

1.- Presas de derivación.

2.- Presas de embalse

 

 

1.-Presas de derivación, llamadas también azudes y presas de vertedero están dispuestas, preferentemente, para elevar el nivel del contribuyendo a crear el salto y siendo efecto secundario el almacenamiento del agua cuando lo requieran las necesidades de consumo Normalmente, están dispuestas para que el agua vierta por a de ellas mediante vertederos denominados también aliviaderos de coronación.

 

Por el contrario, el objeto preferente de las presas de embalse es el almacenamiento de agua para regular el caudal del río, siendo de efecto secundario la elevación del nivel del agua para producir de salto Por lo general, no están dispuestas para que las aguas viertan por encima, sino que tienen construcciones laterales, denomi­nados aliviaderos de superficie que sirve para devolver el agua exce­dente al cauce aguas abajo de la presa, cuando se ha llenado el embalse.

 

En realidad, las presas tienen casi siempre una función mixta; se denominarán presas de derivación, o, en su caso, presas de embalse si el efecto predominante es la elevación del nivel de agua para su desviación o, por el contrario, el embalse del agua para tener siempre un caudal disponible.