Modulo Capacitación-centrales Hidroeléctricas

MODULO CAPACITACIÓN ESPECIALIZADA EN OPERACIÓN

DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

TEMA I:

OBRAS CIVILES

CAPACITACIÓN ESPECIALIZADA EN OPERACIÓN DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

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TEMA I

OBRAS CIVILES


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CONTENIDO

1.1 DESCRIPCIÓN DE LAS OBRAS CIVILES

1.1.1 Bocatoma.

1.1.2 Canal.

1.1.3 Aliviadero o vertedero.

1.1.4 Desarenador.

1.1.5 Cámara de carga.

1.1.6 Tubería de presión.

1.1.7 Casa de fuerza o de máquinas.

1.1.8 Canal de descarga.

1.2 CONSIDERACIONES DE LA OPERACIÓN DEL SISTEMAS.

1.2.1 Antes de la operación.

1.2.2 Durante la operación.

1.2.3 Después de la operación.

1.3 MANTENIMIENTO DE OBRAS CIVILES.

1.3.1 Partes de acero.

1.3.2 Albañilería.

1.3.3 Gaviones.

1.3.4 Túneles.

1.3.5 Áreas alrededor de las estructuras de la central.

1.3.6 Áreas pintadas.

1.3.7 Toma de agua.

1.3.8 Sistema de conducción de agua.

1.3.9 Casa de máquinas.

1.4 PLAN DE MANTENIMIENTO.

1.5 PLAN DE SEGURIDAD.


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BOCATOMA


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CANAL


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Canal de derivación

El canal de derivación se utiliza para conducir el agua desde la presa de derivación hasta las turbinas de la central. Cuando el salto es superior a unos 15 m conviene dar entrada a las aguas en la sala de turbinas por medio de tuberías forzadas y, para ello, debe preverse una cámara de presión donde termina el canal y comienza la tubería.

Por lo general, y para evitar filtraciones en el terreno, los canales de derivación están revestidos interiormente de mampostería, hormigón en masa u hormigón armado.

Tuberías de presión

En las instalaciones hidroeléctricas, las tuberías de presión o tuberías forzadas, tienen por objeto conducir el agua desde la cámara de presión a las turbinas cuando, por causa de la altura del salto, se precisa tal disposición para transformar la energía potencial de posición que tiene el agua en la cámara de presión, en energía potencial presión, que tiene junto a la turbina y al final de la conducción forzada.

Compuertas

Las compuertas se utilizan para cerrar las conducciones de agua (canales - tuberías), así como para regular el caudal de agua en dichas conducciones. Únicamente hay que tener en cuenta que las compuertas sometidas a grandes presiones (por ejemplo, en las tomas de agua) habrán de ser de construcción más robusta que las compuertas que o de resistir pequeñas presiones (por ejemplo, en los canales de derivación abiertos).

Accionamiento de las compuertas

Para elevar una compuerta es necesario un esfuerzo que ha de ser superior al peso propio de la compuerta y a los rozamientos originados por la presión hidráulica; solamente las compuertas de pequeñas dimensiones pueden accionarse manualmente.

Para las compuertas de mayor peso se utilizan varios dispositivos


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cremallera con rueda sencilla o varias ruedas. cremallera con accionamiento de engranaje y tornillo sin fin. torno de husillo horizontal. Para las grandes compuertas se utilizan así exclusivamente dispositivos oleo-hidráulicos con servomotor

Órganos de obturación (Válvulas)

Los órganos de obturación denominados, en general, válvulas, se utilizan para abrir y cerrar el paso del agua por los conductos forzados. Según el empleo a que están destinados, los órganos de obturación pueden ser:

Órganos de seccionamiento, cuya misión es cerrar el paso del agua hacia las turbinas, cuando sea necesario.

Órganos de seguridad, que deben obturar el conducto, no solamente en el caso en que el caudal sobrepase el absorbido normalmente por la turbina, sino también, en caso de embalamiento de esta última. Estas válvulas están provistas, casi siempre, de dispositivos automáticos de cierre, que entran en acción cuando la velocidad del agua sobrepasa un valor máximo, fijado de antemano.

En las instalaciones hidroeléctricas se encuentran muchos tipos de órganos de obturación, que cumplen además funciones muy diferentes. Nosotros estudiaremos solamente los más frecuentes que son:

Válvulas de compuerta. Válvulas de mariposa. Válvulas esféricas. La elección del tipo más apropiado depende de las dimensiones, de la forma de la sección que se ha de obturar, de la presión, de la necesidad de una regulación de apertura parcial, etc.

Cámara de turbinas

Se denomina cámara de turbinas al espacio destinado en una central hidroeléctrica para el alojamiento de las turbinas hidráulicas.

La cámara de turbinas puede ser abierta, si está en comunicación con el exterior, o cerrada, en el caso contrario.

Actualmente, en casi todos los saltos de agua, se utiliza turbinas en cámara cerrada, a la que afluye el agua procedente de las tuberías forzadas. Esta disposición, tiene la gran ventaja de que las tuberías pueden situarse en el lugar más conveniente, los efectos de cimentación, canal de desagüe, etc... Ya que a la tubería de presión, que une la cámara de presión con las turbinas puede dársele el trazado y longitud más adecuados.

Para resumir todo lo dicho en el presente párrafo veamos las ventajas e inconvenientes de las turbinas de eje vertical y de eje horizontal, tanto para cámaras abiertas como cerradas:


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Turbinas de eje vertical

Ventajas: - Posibilidad de montar los generadores por encima del nivel de agua, hasta la altura más conveniente, por pequeño que sea el salto. - Economía de instalación. Inconvenientes: - Si la turbina ha de accionar un generador de eje horizontal, son necesarios engranajes de transmisión. - Las cargas verticales correspondientes a las maquinas han de ser sostenidas por un soporte cojinete de empuje. Turbinas de eje horizontal Ventajas: - Soportes cojinetes normales. - Transmisión directa a ejes horizontales. - Más fácil vigilancia porque todos los elementos están a la misma altura. Inconvenientes: - Instalación de mayor extensión superficial, por lo tanto más caras. - El agua ha de reingresar al canal de desagüe a través de uno o más codos a 90°; por lo tanto, mayores pérdidas de carga. Tubo de aspiración

El tubo de aspiración sirve de enlace entre la turbina y el desagüe y para aprovechar, además, el salto entre ambos elementos. Se construye de hormigón o de chapa de acero y ha de tener una sección variable para conseguir la máxima recuperación de la energía cinética del agua a la salida del rodete de la turbina.

Canal de desagüe

El canal de desagüe llamado también socaz, recoge el agua a la salida de la turbina para devolverla nuevamente al río en el punto conveniente. A la salida de las turbinas, el agua tiene todavía una velocidad importante y, por lo tanto, bastante poder erosivo y para evitar socavaciones del piso o paredes hay que revestir cuidadosamente el desemboque del agua de las turbinas.

En saltos bajos en que conviene perder poco desnivel, el canal de desagüe ha de ser corto. En saltos de gran altura y, especialmente en aquellos en que el agua arrastra poco o ningún material sólido, el canal de desagüe puede ser de mayor longitud.

Casa de máquinas

En la casa de maquinas de una central hidroeléctrica, se montan los grupos eléctricos para la producción de la energía eléctrica, así como la maquinaria auxiliar necesaria para su funcionamiento. Sin embargo, podemos intentar una primera clasificación de las centrales según la disposición general de la casa de máquinas en:

Centrales al exterior.

Centrales subterráneas.


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ALIVIADERO O VERTEDERO


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Los Aliviaderos

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas. Se encuentran en la pared principal de la presa y pueden ser de fondo o de superficie.

La misión de los aliviaderos es la de liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego.

Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca que se encuentra a pie de presa, llamada de amortiguación. Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas, de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación.

Vertedero hidráulico

Vertedero de la presa Faraday, río Clackamas, Oregón.

El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a propiciar el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales, siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas.

Aliviadero como elemento de presa


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En las presas de materiales sueltos el aliviadero se dispone fuera del cuerpo de presa

por razones de seguridad, en la foto la presa de Guadalhorce, Málaga, (España).

Tiene varias finalidades entre las que se destaca:

Garantizar la seguridad de la estructura hidráulica, al no permitir la elevación del

nivel, aguas arriba, por encima del nivel máximo (NAME por su siglas Nivel de

Aguas Máximas Extraordinarias) (ver: Embalse)

Garantizar un nivel con poca variación en un canal de riego, aguas arriba. Este tipo

de vertedero se llama "pico de pato" por su forma

Constituirse en una parte de una sección de aforo del río o arroyo.

Disipar la energía para que la devolución al cauce natural no produzca daños. Esto

se hace mediante saltos, trampolines o cuencos.

En una presa se denomina vertedero a la parte de la estructura que permite la

evacuación de las aguas, ya sea en forma habitual o para controlar el nivel del

reservorio de agua.

Generalmente se descargan las aguas próximas a la superficie libre del embalse, en

contraposición de la descarga de fondo, la que permite la salida controlada de aguas

de los estratos profundos del embalse.

Vertedero como elemento de canal

Un aliviadero en el río Humber cerca del Parque Raymore enToronto, Canadá.

Los vertederos se usan conjuntamente con las compuertas para mantener un río

navegable o para proveer del nivel necesario a la navegación. En este caso, el

vertedero está construido significativamente más largo que el ancho del río, formando

una "U" o haciendo diagonales, perpendicularmente al paso. Dado que el vertedero es

la parte donde el agua se desborda, un vertedero largo permite pasar una mayor

cantidad de agua con un pequeño incremento en la profundidad de derrame. Esto se

hace con el fin de minimizar las fluctuaciones en el nivel de río aguas arriba.1

https://es.wikipedia.org/wiki/Vertedero_hidr%C3%A1ulico#cite_note-1


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El aliviadero en Coburg Lake en Victoria (Australia) después de una inundación.

Los vertederos permiten a los hidrólogos un método simple para medir el caudal en

flujos de agua. Conocida la geometría de la zona alta del vertedero y el nivel del agua

sobre el vertedero, se conoce que el líquido pasa de régimen lento a rápido, y encima

del vertedero de pared gruesa, el agua adopta el calado crítico.

Los vertederos son muy utilizados en ríos para mantener el nivel del agua y ser

aprovechado como lagos, zona de navegación y de esparcimiento. Los molinos

hidráulicos suelen usar presas para subir el nivel del agua y aprovechar el salto para

mover las turbinas.

Debido a que un vertedero incrementa el contenido en oxígeno del agua que pasa

sobre la cresta, puede generar un efecto benéfico en la ecología local del río. Una

represa reduce artificialmente la velocidad del agua, lo que puede incrementar los

procesos de sedimentación, aguas arriba; y un incremento de la capacidad de erosión

aguas abajo. La represa donde se sitúa el vertedero, al crear un desnivel, representa

una barrera para los peces migratorios, que no pueden saltar de niveles.

Los vertederos pueden ser clasificados de varias formas:

Por su localización en relación a la estructura principal:

Vertederos frontales

Vertederos laterales

Vertederos tulipa; este tipo de vertedero se sitúa fuera de la presa y la

descarga puede estar fuera del cauce aguas abajo.

Desde el punto de vista de los instrumentos para el control del caudal vertido:

Vertederos libres, sin control.

Vertederos controlados por compuertas.

Desde el punto de vista de la pared donde se produce el vertimiento:

Vertedero de pared delgada

Vertedero de pared gruesa

Vertedero con perfil hidráulico


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DESARENADOR

Los desarenadores son estructuras hidráulicas que tienen como función remover las partículas de cierto tamaño que la captación de una fuente superficial permite pasar

Se utilizan en tomas para acueductos, en centrales hidroeléctricas (pequeñas), plantas de tratamiento y en sistemas industriales.


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Tipos de desarenadores:

- Tipo Detritus (son los más conocidos y utilizados)

Convencional: Es de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio. Las partículas se sedimentan al reducirse la velocidad con que son transportadas por el agua. Son generalmente de forma rectangular y alargada, dependiendo en gran parte de la disponibilidad de espacio y de las características geográficas. La parte esencial de estos es el volumen útil donde ocurre la sedimentación.

Desarenadores de flujo vertical: El flujo se efectúa desde la parte inferior hacia arriba. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube. Pueden ser de formas muy diferentes: circulares, cuadrados o rectangulares. Se construyen cuando existen inconvenientes de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es más elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Desarenadores de alta rata: Consisten básicamente en un conjunto de tubos circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente láminas planas paralelas, que se disponen con un ángulo de inclinación con el fín de que el agua ascienda con flujo laminar. Este tipo de desarenador permite cargas superficiales mayores que las generalmente usadas para desarenadores convencionales y por tanto éste es más funcional, ocupa menos espacio, es más económico y más eficiente.

- Tipo Vórtice:

Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un

vórtice (remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva

central de un tanque circular. Los sistemas de desarenador por vórtice incluyen

dos diseños básicos: cámaras con fondo plano con abertura pequeña para

recoger la arena y cámaras con un fondo inclinado y una abertura grande que

lleva a la tolva. A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas

paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material

orgánico más liviano y de ese modo retornarlo al flujo que pasa a través de la

cámara de arena.

Zonas de un desarenador

Zona de entrada

Cámara donde se disipa la energía del agua que llega con alguna velocidad de la

captación. En esta zona se orientan las líneas de corriente mediante un dispositivo

denominado pantalla deflectora, a fin de eliminar turbulencias en la zona de

sedimentación, evitar chorros que puedan provocar movimientos rotacionales de la


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masa líquida y distribuir el afluente de la manera más uniforme posible en el área

transversal.

En esta zona se encuentran dos estructuras:

1. Vertedero de exceso: Se coloca generalmente en una de las paredes

paralelas a la dirección de entrada del flujo y tiene como función

evacuar el exceso de caudal que transporta la línea de aducción en

épocas de aguas altas. Si no se evacua el caudal excedente, por

continuidad, aumenta el régimen de velocidad en la zona de

sedimentación y con ello se disminuye la eficiencia del reactor.

Se debe diseñar para evacuar la totalidad del caudal que pueda

transportar la línea de aducción, cuando se de la eventualidad de tener

que evacuar toda el agua presente.

2. Pantalla deflectora: Separa la zona de entrada y la zona de

sedimentación, en ella se realizan ranuras u orificios, de acuerdo con el

diseño, a través de los cuales el agua pasa con un régimen de

velocidades adecuado para que ocurra la sedimentación, no debe

sobrepasar de 0.3m/s. Los orificios pueden ser circulares, cuadrados o

rectangulares, siendo los primeros los más adecuados.

Zona de sedimentación

Sus características de régimen de flujo permiten la remoción de los sólidos del agua. La

teoría de funcionamiento de la zona de sedimentación se basa en las siguientes

suposiciones:

Asentamiento sucede como lo haría en un recipiente con fluido en reposo de la misma

profundidad.

La concentración de las partículas a la entrada de la zona de sedimentación es

homogénea, es decir, la concentración de partículas en suspensión de cada tamaño es

uniforme en toda la sección transversal perpendicular al flujo.

La velocidad horizontal del fluido está por debajo de la velocidad de arrastre de los lodos, una vez que la partícula llegue al fondo, permanece allí. La velocidad de las partículas en el desarenador es una línea recta.


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En esta zona se encuentra la siguiente estructura:

Cortina para sólidos flotantes: Es una vigueta que se coloca en la zona de

sedimentación, cuya función es producir la precipitación al fondo del desarenador de

las partículas o sólidos como hojas y palos que pueden escapar a la acción

desarenadora del reactor.

Zona de lodos

Recibe y almacena los lodos sedimentados que se depositan en el fondo del

desarenador. Entre el 60% y el 90% queda almacenado en el primer tercio de su

longitud. En su diseño deben tenerse en cuenta dos aspectos: la forma de remoción de

lodos y la velocidad horizontal del agua del fondo, pues si esta es grande las partículas

asentadas pueden ser suspendidas de nuevo en el flujo y llevadas al afluente.

Zona de salida

Esta zona tiene por objeto mantener uniformemente distribuido el flujo a la salida de

la zona de sedimentación, para mantener uniforme la velocidad.

El tipo de estructura de salida determina en buena parte la mayor o menor proporción

de partículas que pueden ser puestas en suspensión en el flujo.

Existe una gran variedad de estructuras de salida, las cuales podríamos clasificar en:

vertederos de rebose, canaletas de rebose, orificios (circulares o cuadrados)

Acueducto veredal Santa Elena

El caudal máximo diario es de 14.52 l/s, las dimensiones del desarenador son: Ancho:

1.20m, largo: 4.80m, Profundidad, 2.20m.

Desarenadores del proyecto hidroeléctrico del Río Piedras

Las obras de derivación:

Azud de control en concreto a filo de agua.

Ancho: 24,0 m

Altura: 5,5 m

Con una bocatoma de fondo y un vertedero para evacuación de crecientes.


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Un canal de aducciónn.

Un desarenador con dos celdas de 7,5 m de ancho y 38,0 m de longitud.

Desarenadores de la planta de tratamiento de aguas residuales de San

Fernando

Para retirarla se cuenta con tres desarenadores tipo vórtice de forma circular (uno de

reserva) con 6 metros de diámetro.

El agua ingresa tangencialmente y el material pesado se concentra en el fondo, de allí

es bombeado hasta el lugar destinado para su lavado. Para el bombeo hay dos bombas

(solo una trabaja)

Diseño patentado Greeley and Hanse y Cía Colombiana de Consultores

SA Tamaño mínimo: Malla 100

Caudal: Normal 1.8m3/s Máximo 3.6m3/s

Se produce 1m3/día de arena


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CÁMARA DE CARGA


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TUBERÍA DE PRESIÓN


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CASA DE FUERZA O DE MÁQUINAS


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CANAL DE

DESCARGA


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