Tema 1. Generalidades de la Generación Hidráulica y Clasificación de las Centrales PDF

Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Energía hidráulica Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos res...

Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Energía hidráulica Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Contenidos Objetivos 1. Energía hidroeléctrica 1.1. Ventajas 1.2. Inconvenientes 2. Potencial generación hidroeléctrica 3. Tipología © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Objetivos A lo largo del recurso se trabajarán los siguientes objetivos: Comprender el proceso de generación hidroeléctrica para reconocer sus características en un sistema global. Contemplar las ventajas e inconvenientes de la generación hidroeléctrica. Diferenciar entre la tipología de centrales hidroeléctricas y sus elementos principales. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales 1. Energía hidráulica Definición Ciclo del agua Administrativamente, energía Gran hidroeléctrica convencional Energía Energía renovable (< 10 MW) minihidroeléctrica © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales 1.1. Energía hidráulica. Ventajas Las minicentrales hidroeléctricas (MCH) utilizan agua, un recurso limpio y renovable, que no se consume en el proceso de generación de energía. Aspecto Las MCH, si están equipadas con pasos de peces bien diseñados, no medioambiental constituyen obstáculo al paso de los peces migratorios. Las MCH mantienen un caudal de agua suficiente, en el curso del río original, para asegurar la supervivencia y perpetuación de la fauna (caudal ecológico). Las MCH movilizan recursos financieros, contribuyendo así al desarrollo de la población local. La tecnología actual permite rehabilitar con éxito pequeñas centrales abandonadas. Aspecto económico Crean puestos de trabajo para su operación y mantenimiento. Garantizan un plazo relativamente corto de recuperación de la energía (relación entre la energía empleada en su construcción y mantenimiento y la producida a lo largo de su vida). Contribuyen a crear un sistema eléctrico más diversificado y descentralizado. Al estar situadas cerca de los centros de consumo, las pérdidas por Aspecto técnico transmisión disminuyen y descargan las líneas de transporte. Mediante las MCH se contribuye a mejorar el conocimiento de los indicadores hidrológicos. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales 1.2. Energía hidráulica. Inconvenientes Impacto ambiental Rechazo social Capacidad de regulación limitada © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales 2. Potencial generación hidroeléctrica Nuevos proyectos 2. Rehabilitación de centrales 1. Nuevos emplazamientos existentes 3. Repotenciación de centrales 4. Incremento de potencia 6. Otros aprovechamientos: 5. Centrales de caudal ecológico sistemas de riego © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales 3. Tipología Clasificación 1. Situación (posición de la central, 2. Altura orografía, etc.) 3. Caudal 4. Derivación del caudal 5. Capacidad de regulación 6. Infraestructuras incluidas © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales de pie de presa © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales de agua fluyente Compuertas Presa Agua excedente que supera el caudal de turbinación Central Salida de agua turbinada © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales en derivación - Canal Embalse Canal hidráulico Cámara de carga Azud Tubería forzada Casa de máquinas Canal de descarga © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales en derivación - Conducciones en presión © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales en canales de riego © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales en redes de agua potable © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales en redes de aguas residuales © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Centrales híbridas Parque eólico Depósito superior Q turbinado Central de turbinación Q bombeo Subestación central Central de bombeo Subestación red de Consumos distribución Depósito inferior © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales Referencias bibliográficas Cuesta, L. y Vallarino, E. (2000). Aprovechamientos hidroeléctricos. Tomo I y II. Madrid: Garceta. Cuesta, L. y Vallarino, E. (1998). Tratado básico de presas. Tomo I y II. (4.ª ed.). Madrid: Garceta. European Small Hydro Association (ESHA) (1998). Manual de la pequeña hidráulica. Cómo llevar a buen fin un proyecto de minicentral hidroeléctrica. Recuperado de http://www.bmghidroconsultores.cl/pdf/documentos/Manual_Hidroenergia_ESHA_Layman.pdf [Consultado el 25 de noviembre del 2015]. Fundación Endesa. Centrales hidroeléctricas I y II. Conceptos y componentes hidráulicos. Recuperado de http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/produccion-de-electricidad/xi.-las-centrales- hidroelectricas [Consultado el 25 de noviembre del 2015]. Instituto para la Diversificación y el Ahorro Energético (IDAE) (2006). Manual de energías renovables. Minicentrales hidroeléctricas. Recuperado de http://dl.idae.es/Publicaciones/10374_Minicentrales_hidroelectricas_A2006.pdf [Consultado el 25 de noviembre del 2015]. Observ’ER (2012). The state of renewable energies in Europe (9th ed.). Recuperado de www.energies-renouvelables.org [Consultado el 25 de noviembre del 2015]. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 1. Generalidades de la generación hidráulica y clasificación de las centrales © Todos los derechos de propiedad intelectual de esta obra pertenecen en exclusiva a la Universidad Europea de Canarias, S.L.U. Queda terminantemente prohibida la reproducción, puesta a disposición del público y en general cualquier otra forma de explotación de toda o parte de la misma. La utilización no autorizada de esta obra, así como los perjuicios ocasionados en los derechos de propiedad intelectual e industrial de la Universidad Europea de Canarias, S.L.U., darán lugar al ejercicio de las acciones que legalmente le correspondan y, en su caso, a las responsabilidades que de dicho ejercicio se deriven. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados.  Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 1 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación Índice 1. Presentación........................................................................... 3 2. Embalses............................................................................... 3 3. La presa y sus elementos............................................................ 5 4. Clasificación según resistencia al empuje hidrostático......................... 6 4.1. Presas de gravedad....................................................................... 6 4.2. Presas arco................................................................................ 7 5. Clasificación según los materiales................................................. 8 6. Otros tipos de presas................................................................. 9 6.1. Presas inflables........................................................................... 9 6.2. Presas “móviles”........................................................................10 7. Fuerzas que actúan sobre las presas............................................. 10 8. Aliviaderos........................................................................... 12 8.1. Vertederos sobre cuerpo de presa....................................................12 8.2. Vertederos en canal.....................................................................12 8.3. Aliviaderos en túnel.....................................................................13 8.4. Cálculo de aliviaderos..................................................................14 8.5. Desagües de fondo......................................................................15 9. Otros aliviaderos y escala de peces.............................................. 15 9.1. Aliviaderos en pozo.....................................................................16 9.2. Aliviaderos en sifón.....................................................................16 10. Resumen............................................................................ 18 © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 2 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 1. Presentación La obra civil más importante en una central hidroeléctrica es la presa. A lo largo de este tema se analizarán los tipos de infraestructuras de embalse. En la primera parte se establecerá una diferenciación entre presa y azud, necesaria para avanzar en este ámbito, y posteriormente se describirán y analizarán los elementos que conforman una presa. Asimismo se expondrán los tipos de presas existentes en función de los materiales utilizados, según la resistencia al empuje hidrostático y de acuerdo a otros conceptos. Del mismo modo, se hará un breve resumen de las fuerzas físicas que actúan en una presa. Una vez descritas las características y tipologías de presas, se continúa con la explicación de las infraestructuras de embalse y derivación que acompañan a las presas. En la primera parte, se hará una descripción generalista de los aliviaderos, para luego continuar con la clasificación de estas estructuras. Se estudiarán los cálculos básicos para los aliviaderos y, por último, se mencionarán algunos elementos que integran las estructuras de derivación, como los desagües de fondo y la escala de peces. 2. Embalses Un embalse se forma al almacenar las aguas que provienen de la cuenca vertiente del territorio donde está enclavado. Su finalidad es el encauzamiento de las aguas para utilizarlas según las necesidades de la instalación. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 3 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación Definición de cuenca vertiente o hidrológica Se llama cuenca de un río a la superficie receptora de las aguas que lo alimentan, ya sea por escorrentía superficial o por infiltraciones. La superficie de una cuenca se mide en kilómetros cuadrados (según la proyección horizontal). Al elevar el nivel del agua, un embalse sirve para alimentar una conducción determinada y para incrementar la energía potencial en caso de que sea un aprovechamiento hidroeléctrico. Otra de sus funciones puede ser la amortiguación de crecidas o avenidas. Nivel máximo normal (NMN) Figura 1. Embalse. La dimensión del embalse depende del caudal aportado por el río, por medio de sus afluentes, en caso de existir, y por los aportes de avenidas o estiajes. Pero el factor principal que determina la dimensión de un embalse es la utilidad que se le quiera dar. Hay dos conceptos en los que se distingue la capacidad de un embalse: Capacidad útil: capacidad del agua embalsada por encima de la entrada o toma de agua que conduce el agua hacia la central. Representa el volumen del embalse aprovechable para el fin al que está destinada la presa. Capacidad total: es la totalidad del agua embalsada. La capacidad de un embalse se expresa en metros o hectómetros cúbicos. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 4 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 3. La presa y sus elementos Una presa es un muro que retiene el agua a una altura mayor que la original del cauce, provocando una elevación notable del nivel del río para la posterior creación de un embalse. La presa eleva el nivel de la lámina de agua para crear el salto necesario para la producción de energía eléctrica. En función de la capacidad de embalse de agua, la presa puede regular las aportaciones, almacenando agua en periodos de crecida para luego turbinarla en periodos de sequía. Además del uso de generación eléctrica, una presa puede estar destinada para almacenamiento de agua para riego, abastecimiento de población y control de avenidas. En el caso de que la presa tenga una altura reducida o pequeña capacidad de embalse, se denomina azud. Tabla 1. Zonas estructurales principales de las presas. Base sobre la que descansa la mayor parte de la presa. El terreno debe tener la resistencia necesaria para soportar el Cimentación peso de la presa y las características de rugosidad e o fundación impermeabilidad para evitar el deslizamiento y las filtraciones, respectivamente. Apoyos laterales de las zonas extremas de la presas que Estribos realizan el cierre descansando sobre el terreno. Zona más elevada de la presa. Suele tener un camino Coronación accesible que permite el tránsito y la implantación de equipos. Dorso (paramento Superficie que recibe la corriente y la presión del agua. aguas arriba) Talud (paramento Superficie de la presa opuesta al dorso. aguas abajo) Planta de una presa Sección de una presa Figura 2. Planta (izq.) y sección (dcha.) de una presa. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 5 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 4. Clasificación según resistencia al empuje hidrostático Según el modo en que la presa resiste el empuje hidrostático ejercido por la presión del agua del embalse, se pueden clasificar en: 4.1. Presas de gravedad Resisten los empujes por rozamiento del peso propio contra el terreno de cimentación. A su vez, se dividen en presas macizas (de fábrica, hormigón o materiales sueltos) y presas aligeradas o de contrafuertes: Presas macizas: en las presas de este tipo, las acciones de vuelco y deslizamiento sobre cimientos son vencidas por la estabilidad y resistencia que supone el propio peso de la presa. Tienen un perfil triangular o trapezoidal de sección maciza constante. Generalmente a las presas de gravedad macizas de hormigón se las denomina de manera genérica presas de gravedad. Figura 3. Presa maciza. Presas aligeradas o de contrafuertes: son similares a las de gravedad, pero su perfil no se mantiene constante, ya que tiene zonas de menor sección a intervalos regulares. Esto permite reducir el gasto en materiales. Nivel máximo normal del embalse Figura 4. Presa aligerada (contrafuertes verticales). © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 6 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 4.2. Presas arco Mediante su forma geométrica de arco, transmiten los empujes hidrostáticos hacia los estribos o cimentación con el fin de reducir su peso y, por tanto, reducir el material necesario para su construcción. Las presas arco pueden ser: De curvatura simple: arcos horizontales que transmiten el empuje a los estribos por su forma de arco horizontal. A estas presas se las denomina genéricamente presas arco. Nivel máximo normal de agua del embalse Suelo Figura 5. Presa arco de curvatura simple. De curvatura doble o bóveda: arcos horizontales y ménsulas verticales de forma curva que transmiten empujes tanto a los estribos como a la cimentación. Nivel máximo normal de agua Presa Toma de agua Casa de máquinas Figura 6. Presa arco de curvatura doble o bóveda y sección. De arco-gravedad: con un perfil más esbelto que una presa de gravedad, pero con mayor sección que una presa arco, resisten los empujes tanto por su peso propio como por su transmisión hacia los estribos. Figura 7. Vista aérea y vista lateral. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 7 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación Bóvedas múltiples: sucesión de presas arco cuyos arcos descansan unos sobre los siguientes, de manera que los nervios forman unos contrafuertes de empuje. Figura 8. Sección lateral y vista aérea. 5. Clasificación según los materiales Otro sistema de clasificación de presas es según el tipo de materiales empleados para construirlas. Tabla 2. Clasificación según los materiales. Son materiales de fábrica todos aquellos que requieren de un proceso de fabricación, como es el caso del hormigón, la mampostería y el ladrillo. Materiales de fábrica Actualmente el material más utilizado es el hormigón en masa. Alguna estructura de mayor solicitación estructural dentro de la presa se construye con hormigón armado mediante la inclusión de barras de acero en la masa. Se construyen de materiales disponibles en las proximidades del emplazamiento de la presa. Resisten los empujes siempre por gravedad ya que la nula cohesión de los materiales no permite transmitir los esfuerzos a los estribos. Se construyen con materiales heterogéneos: Materiales sueltos Un material granular proporciona peso para resistir los empujes (tierra, grava, arena, escollera, etc., en función de su densidad y tamaño). Un material que proporciona impermeabilidad, bien sea natural (núcleo impermeable de arcilla), bien sea artificial (pantalla impermeable de hormigón o asfáltica). © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 8 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación Nivel máximo normal Núcleo permeable de arcilla Figura 9. Presa de escollera. Nivel máximo normal Figura 10. Presa de tierra: (1) Núcleo impermeable. (2) Limos arenosos. (3) Terraplén. (4) Relleno. (5) Revestido de mampostería. 6. Otros tipos de presas Adicionalmente a las clasificaciones antes descritas, existen otros tipos de presas menos comunes y de aplicación puntual según ciertos requisitos excepcionales de algunos emplazamientos: 6.1. Presas inflables Están formadas por un cilindro neumático deformable que se puede inflar con aire a presión o agua, creando así un obstáculo para el agua y permitiendo retenerla. El cilindro se sujeta a una base de hormigón para resistir el empuje hidrostático. Cuando se desinflan, permiten el paso casi libre del agua, de modo que se pueden aplicar en emplazamientos donde en época de avenidas se producen arrastres de grandes rocas; se evita así su acumulación aguas arriba de la presa. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 9 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación Figura 11. Presas inflables. 6.2. Presas “móviles” Son presas que están constituidas por grandes compuertas que se accionan mecánicamente para que adopten la posición deseada sobre una base de hormigón, aumentando o disminuyendo la altura del obstáculo que impide el paso del agua. De este modo, permiten el paso de grandes caudales en avenida y una regulación de la altura de la lámina de agua. Figura 12. Secciones de presas móviles con compuerta giratoria (izq.) y compuerta deslizante (dcha). 7. Fuerzas que actúan sobre las presas Las presas se diseñan para resistir las fuerzas permanentes y transitorias a las que están sometidas, entre las que cabe destacar: Fuerzas verticales: incluyen el peso propio de la estructura, la componente vertical de la presión hidrostática sobre paramentos y la componente vertical de las aceleraciones sísmicas y la subpresión originada por el agua. Fuerzas horizontales: incluyen la componente horizontal de la presión hidrostática sobre los paramentos y la componente horizontal de las aceleraciones símicas. Esfuerzos térmicos, dilataciones y contracciones por cambios de temperatura. Presión de los sedimentos y rellenos de tierra contra la estructura. Presión del hielo y del oleaje. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 10 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación P Presión de la columna de agua Hu Cargas hidrostáticas aguas arriba Ps Empuje de los sedimentos en contacto con la presa H Altura R Esfuerzos dinámicos inducidos por el movimiento relativo de la presa G Peso vertical en el centro de gravedad de la presa Asv Componente vertical de la aceleración sísmica Ash Componente horizontal de la aceleración sísmica Fr Fuerza de rozamiento resistente U Subpresión hidrostática Hd Cargas hidrostáticas aguas abajo Figura 13. Fuerzas que actúan sobre una presa. Además, pueden existir otras acciones como deformaciones de los materiales por envejecimiento, presiones intersticiales o deformación del terreno de cimentación. La presa se calcula para ser estable frente a cualquier combinación de acciones a lo largo de su vida útil, a través de los mecanismos resistentes descritos en la clasificación de presas (por peso propio y transmisión de empujes al terreno, fundamentalmente). © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 11 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 8. Aliviaderos En todo aprovechamiento hidroeléctrico hay periodos de sequías seguidos de periodos lluviosos. Cuando esto ocurre, es probable que fuertes avenidas (grandes caudales concentrados en corto tiempo) pongan en riesgo las infraestructuras. Para evitar estos posibles daños, se diseñan y se construyen aliviaderos y, en algunos casos, se agregan elementos en la base cuya función principal consiste en la disipación de la energía de la corriente de agua. Los aliviaderos pueden ser estructuras sin capacidad de regulación (fijos) o con compuertas para regular caudal y nivel (móviles). En esta lección se estudian los aliviaderos fijos; los móviles se definirán en el apartado de compuertas (Unidad 2, Tema 4. Infraestructuras y equipamiento). Todos los aliviaderos constan de tres partes principales llamadas embocadura, conducción y restitución al cauce. Los principales tipos de aliviaderos fijos son los vertederos sobre cuerpos de presa, los vertederos en canal, los aliviaderos en túnel y los desagües de fondo. Además, se explicarán algunos órganos de alivio adicionales. 8.1. Vertederos sobre cuerpo de presa Son aliviaderos de superficie sobre cuerpo de presa. Mediante aberturas ubicadas en la coronación de la presa. Este tipo de aliviaderos son parte integral de la presa. Además, en ellos se logra una gran capacidad de vertido con poca altura de lámina, debido al aprovechamiento máximo de la longitud de la presa. Para lograr una acción uniforme y equilibrada, las aberturas mencionadas se distribuyen de manera que produzcan esfuerzos simétricos sobre la presa y el cauce. De esta manera, se minimiza la acción de la fuerza del agua sobre otros elementos de la presa, como la cimentación y los estribos. Para disminuir la energía adquirida durante la caída libre desde la parte superior, es necesaria la existencia de colchones de agua llamados cuencos amortiguadores al pie de la presa. Como todos los vertederos, pueden tener sistemas de compuertas que regulen o interrumpan el caudal aliviado. Los que carecen de estos medios son llamados de vertido libre o de labio fijo. 8.2. Vertederos en canal Se denominan vertederos laterales a los aliviaderos que constan de una o varias aberturas y se encuentran en el lateral de la coronación de la presa, sobre el terreno de los estribos. Al estar ubicado en el lateral, la zona del paramento de aguas abajo queda libre y generalmente se aprovecha para la instalación de la central u otros equipos. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 12 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación En este tipo de aliviaderos, el agua que rebasa el límite de la embocadura es encauzada en canales abiertos para luego verterla aguas abajo fuera de la zona de cimentación y estribos. Este tipo de canales suelen utilizarse en las presas en bóveda, por no existir espacio para un aliviadero sobre el cuerpo de presa, o en presas de materiales sueltos donde el agua no puede circular sobre los materiales de presa. Figura 14. Vertederos en canal. 8.3. Aliviaderos en túnel Los aliviaderos consisten en una construcción independiente de la estructura de la presa. En lugar de encauzar el caudal sobrante en un canal abierto, el caudal fluye por túneles excavados en los estribos de la presa. Es posible, dependiendo de la topografía del terreno, utilizar los túneles que inicialmente fueron excavados para desviar el cauce del río antes del comienzo de la construcción de la presa. Es habitual que, antes del reintegro del agua al cauce, se coloque un dispositivo disipador de energía, como un trampolín, un cuenco amortiguador o una válvula disipadora. Si bien la instalación de este tipo de aliviaderos depende de la altura de la presa, además de la topografía del terreno, son generalmente utilizados para las presas de gravedad y las presas arco-gravedad de gran altura. Es indispensable la colocación de compuertas o válvulas en las embocaduras para así poder interrumpir el flujo de agua en caso de reparación o inspección. La erosión de estas instalaciones es alta debido a la alta velocidad de circulación del flujo para la que están diseñados. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 13 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación Figura 15. Aliviaderos en túnel. 8.4. Cálculo de aliviaderos El tipo de aliviadero más utilizado es a su vez el de diseño más simple: un canal abierto, redondeado en la cresta y con una pendiente pronunciada para la evacuación de agua a velocidades supercríticas. En su diseño se debe tratar de minimizar la presión sobre su superficie, y evitar a su vez la separación de la lámina de agua de esta superficie, ya que si esto sucede habría presiones negativas. La trayectoria que seguiría la parte inferior de una lámina de agua al caer libremente sobre un muro vertical, tras haber sobrepasado la cresta, se llama curva de vertido. Si bien el cálculo de esta curva de vertido es crítico para la construcción de los aliviaderos de las grandes presas, que necesitan evacuar cientos o miles de metros cúbicos por segundo, en el caso de la minihidráulica se puede recurrir a una serie de modelos de escala reducida. Estos modelos predefinen los perfiles que se pueden utilizar en el diseño de los aliviaderos según su disposición. El caudal vertido se calcula con la fórmula: 3 Q = C ⋅ L ⋅ 𝐻2 Donde C es el coeficiente de vertido dependiente de la geometría del vertedero; L es la longitud del vertedero en la parte de la coronación, y H es la altura estática desde el vertedero a la superficie de la lámina. El coeficiente de vertido se obtiene de ensayos sobre modelos reducidos y puede variar desde 1,56 en vertederos anchos hasta 2,2 en casos en que el perfil del aliviadero es el óptimo. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 14 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 8.5. Desagües de fondo En casos de emergencia o por necesidades de mantenimiento o reparación de la presa, se pueden utilizar los desagües de fondo para vaciar el embalse. Suele ser un conducto situado a un nivel bajo con su correspondiente válvula de compuerta a la entrada o una válvula cónica a la salida. En caso de que el desagüe esté previsto para velocidades supercríticas, es necesaria la utilización de un disipador de energía en la descarga. Un problema recurrente en los desagües de fondo son los atascos cuando entran elementos gruesos, por lo que es necesaria la utilización de rejas antes de la entrada a la válvula. En las presas de hormigón, los desagües de fondo suelen estar formados por conductos que atraviesan la estructura de la presa entre paramentos, según planos verticales a la cimentación. Existen también los desagües intermedios o de medio fondo. Sirven de ayuda a los aliviaderos de superficie y también se emplean como elementos de control y regulación del embalse. Suelen estar instalados a media altura de la presa o en sus laterales. Figura 16. Desagüe de fondo. 9. Otros aliviaderos y escala de peces En emplazamientos con espacio reducido para disponer los aliviaderos habituales descritos en puntos anteriores, se recurre al empleo de sistemas alternativos, de mayor coste de construcción pero eficientes desde el punto de vista hidráulico. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 15 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 9.1. Aliviaderos en pozo También llamado morning glory, consta de una entrada almenada, lo que aumenta la longitud de vertido, y una zona de transición donde el perfil es parecido al de un aliviadero convencional. Desde allí, un pozo vertical conduce el agua hasta un conducto de salida. Figura 17. Aliviadero en pozo o morning glory. 9.2. Aliviaderos en sifón Como se muestra en la figura inferior, este aliviadero consta de un conducto cerrado de perfil curvo. Cuando el nivel de agua sobrepasa el codo del sifón, comienza a verter agua. Para evitar el fenómeno de cebado del sifón y para que no aumente demasiado el caudal que se debe aliviar, se suele utilizar un tubo de rotura de vacío. Figura 18. Aliviadero en sifón. Además de los aliviaderos, en algunas presas es necesario disponer de una escala de peces con el fin de permitir el tránsito de peces a través de la estructura de la presa y reducir su impacto ambiental. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 16 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación La escala de peces consiste en un canal abierto, compuesto por una sucesión escalonada de pequeños estanques que vierten el caudal de agua de un estanque al inmediatamente inferior, que se encuentra en una de las márgenes y comunica la zona de aguas arriba con la zona de aguas abajo de la presa. Estas instalaciones no tienen un ancho mayor a los 150 centímetros y tienen una pendiente aproximada de 1:9 (1 metro de altura cada 9 metros de longitud). Con estas condiciones, y con la ayuda de otros equipos, se evita que el agua fluya a 3 metros por segundo como máximo. Condiciones de pendiente, caudal, etc., se dimensionan en función de las especies de peces que necesiten utilizar la escala de peces para remontar el obstáculo de la presa. Figura 19. Escala de peces. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 17 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación 10. Resumen Dentro de las estructuras de embalse y derivación los elementos fundamentales que es preciso analizar son los embalses, los azudes y las presas. Los embalses, al elevar el nivel del agua, sirven para alimentar una conducción determinada y para incrementar la energía potencial en caso de que sea un aprovechamiento hidroeléctrico. También son útiles amortiguando las crecidas. La presa es una estructura tipo muro que se coloca transversalmente al curso de un río y provoca un remanso de agua. Su finalidad es la derivación del caudal deseado hacia la toma de agua, mientras que el resto del agua continúa su curso normal pasando por encima. Las presas de reducida altura o volumen se denominan azudes. Los principales elementos que conforman una presa son: cimentación, estribos, coronación, dorso y talud. Las presas se pueden clasificar según distintos criterios. En función de la resistencia al empuje hidrostático, las presas se dividen en: De gravedad (macizas y aligeradas o de contrafuertes). Arco (de curvatura simple, curvatura doble o bóveda, y de arco-gravedad). De bóvedas múltiples. En función de los materiales utilizados en su construcción, las presas se clasifican en: De fábrica (hormigón, mampostería, ladrillo). De materiales sueltos (presas de escollera y presas de tierra). Los aliviaderos son elementos de seguridad en las presas. Se emplean para permitir el paso de agua cuando se producen fuertes avenidas que ponen en riesgo las infraestructuras. Además de aliviaderos, en las presas se disponen desagües. Los aliviaderos pueden ser: Vertederos de superficie sobre cuerpo de presa. Vertederos laterales. Aliviaderos en túnel. Aliviaderos en sifón. Aliviaderos en pozo. Desagües de fondo o de medio fondo. La escala de peces consiste en un canal abierto que se encuentra en una de las márgenes y comunica la zona de aguas arriba con la zona de aguas abajo de la presa y permite a los peces salvar el obstáculo creado por la presa. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 18 Energía hidráulica Tema 2. Estructuras de embalse, toma y derivación © Todos los derechos de propiedad intelectual de esta obra pertenecen en exclusiva a la Universidad Europea de Canarias S.L.U. Queda terminantemente prohibida la reproducción, puesta a disposición del público y en general cualquier otra forma de explotación de toda o parte de la misma. La utilización no autorizada de esta obra, así como los perjuicios ocasionados en los derechos de propiedad intelectual e industrial de la Universidad Europea de Canarias S.L.U., darán lugar al ejercicio de las acciones que legalmente le correspondan y, en su caso, a las responsabilidades que de dicho ejercicio se deriven. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 1  Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 1 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Índice 1. Presentación........................................................................... 3 2. Tomas de agua........................................................................ 3 2.1. Introducción............................................................................... 3 2.2. Clasificación y ubicación................................................................ 4 3. Canales................................................................................. 6 3.1. Introducción............................................................................... 6 3.2. Clasificación............................................................................... 7 4. Galería de presión.................................................................... 9 5. Cámara de carga.................................................................... 11 6. Chimeneas de equilibrio........................................................... 12 7. Tuberías forzadas................................................................... 13 7.1. Definición.................................................................................13 7.2. Clasificación y distribuidores..........................................................14 7.3. Esfuerzos.................................................................................15 7.4. Materiales................................................................................16 7.5. Uniones...................................................................................16 7.6. Soportes..................................................................................16 8. Pérdidas de carga................................................................... 17 9. Resumen............................................................................. 18 © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 2 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas 1. Presentación En todo aprovechamiento hidroeléctrico —una vez que el caudal de agua es controlado y regulado, ya sea por presas o azudes—, hay que conducir el caudal hasta el lugar deseado. El destino variará según la finalidad del aprovechamiento; puede ser para riego o para consumo de agua potable y, en este caso, para la producción de energía eléctrica. En el presente tema se tratará la primera parte de estas infraestructuras de conducción, es decir, comienza con la captación del caudal de agua en los embalses por parte de las tomas de agua (en algunos casos directamente del curso del río). Después, y siguiendo el circuito de agua de una central hidroeléctrica, se mencionan y clasifican otros elementos de conducción, como los canales, túneles, cámaras de carga y chimeneas de equilibrio. A continuación de la chimenea de equilibrio o la cámara de carga, comienza la conducción en presión denominada tubería forzada. Se diferencian de los canales (conducciones abiertas), entre otras cosas, por que, en las tuberías forzadas, el flujo de agua se desplaza por diferencias de presión. A la definición de las tuberías forzadas le seguirá su clasificación. Es importante tener en cuenta el concepto de pérdida de carga que son las pérdidas de energía, fenómeno presente en todas las conducciones de agua. También se mencionan los principales materiales con los que son construidas las tuberías y la forma en que se unen los diferentes tramos que la conforman. Se describirá la forma de anclaje sobre el terreno y los distintos tipos de configuraciones y distribución. 2. Tomas de agua 2.1. Introducción En todo tipo de aprovechamiento hidráulico existe una o varias tomas de agua que actúan como interfase o transición entre la presa o azud y la conducción hasta la casa de máquinas o central. Entre las funciones de las tomas de agua, destacan: Captar el agua que se turbinará posteriormente y derivará hacia la conducción. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 3 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Evitar la entrada de elementos extraños (malezas, brozas, etc.) que puedan dañar la instalación. Separar del caudal derivado la mayor cantidad de sedimentos que sea posible para evitar daños (erosión) en los equipos mecánicos. Aislar la conducción del embalse para su inspección. Sumergencia. Estar a suficiente profundidad para evitar la entrada de aire que pueda dañar la turbina por cavitación. Para garantizar el funcionamiento adecuado de las tomas de agua son incorporados diferentes elementos de seguridad, control y protección. Los principales son: rejillas, ataguías, compuertas, desarenadores y aliviaderos. Para diseñar una toma de agua se deben seguir tres criterios: Tabla 1. Criterios para diseñar una toma de agua. Hidráulicos y Capacidad resistente a los esfuerzos hidráulicos y forma estructurales hidrodinámica para reducir las pérdidas de carga. Capacidad de control del caudal mediante compuertas y válvulas y Operativos con control local y remoto. Relacionados con el Evitar la entrada de peces en la conducción y minimizar la afección medioambiente al flujo natural del río para no modificar el lecho. 2.2. Clasificación y ubicación Las tomas se clasifican en función de la implantación relativa respecto a la presa, sumergencia y tipo de operación. Tabla 2. Clasificación de tomas. Son aquellas que contienen solo los elementos de filtrado. Se pueden implantar tanto sobre el cuerpo de presa o azud como en uno de los Toma con rejilla estribos de la presa, o cerca de ellos, como estructura independiente. Los elementos de obturación se encuentran en zonas adecuadas a la conducción. Se utilizan en el supuesto de que exista una toma por turbina, y que no se requiera compuerta, ni a la entrada de la toma ni a la de la turbina, lo que reduce el costo global en un 25 % o un 40 %. Por su disposición resulta Toma en sifón también menos propensa a dejar entrar sedimentos. El corte de flujo se consigue por descebado del sifón, lo que reduce el tiempo de cierre respecto a las compuertas. Son estructuras ubicadas en el interior del embalse, independientes de la presa, destinadas a tomar el agua de alimentación. En la misma torre se Torres de toma suelen instalar todos los sistemas de control de paso de agua hacia las turbinas, incluyendo rejillas y compuertas. Este tipo de estructuras pueden contar con entradas de agua a diferente profundidad. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 4 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Además de esta clasificación, hay que considerar en el diseño de una toma si va a alimentar directamente a un canal, una galería de presión o una tubería forzada. En cada caso será necesario colocar diferentes elementos, como aliviaderos de descarga, limpiarrejas, etc. Torre de toma Toma de sifón Toma con rejilla Figura 1. Tomas de agua. Una vez decidido el tipo de toma de agua que se va a utilizar, hay que ubicarla correctamente en el curso de agua, para lo que habrá que tener en cuenta factores geotectónicos, el tipo de residuos que arrastra el río, la presencia o no de hielo, el tipo de fauna piscícola, etc. Otro factor fundamental es la orientación de la entrada con respecto a la dirección de la corriente, ya que determinará la posible acumulación de broza —aspecto que puede generar paradas y gastos de mantenimiento—. Lo mejor es disponer el eje de entrada a la toma paralelo, o casi paralelo, al aliviadero para que, en las crecidas, la corriente arrastre la broza sobre él. La toma de agua tampoco debe colocarse en una zona muerta que esté lejos del aliviadero, porque las corrientes parásitas, que son propias de esas zonas, provocarán que la broza se acumule delante de la reja. Puede darse la necesidad de ubicar la entrada de la toma paralela al aliviadero, pero habría que hacerlo cerca, porque así la acumulación de basura se podrá arrastrar hacia la corriente con un rastrillo. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 5 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas La toma de agua debe incorporar los siguientes elementos: Una rejilla para impedir la entrada de broza. Una compuerta para poder aislar las estructuras situadas aguas abajo. Una balsa de decantación para eliminar los sedimentos (desarenador). Un aliviadero para verter el exceso de agua, si lo hubiera. Comienzo del canal Figura 2. Sección toma tipo tirolesa. 3. Canales 3.1. Introducción Los canales son cauces artificiales que se construyen para conducir el agua. Un canal puede ser abierto o cerrado, bien sea mediante cubiertas artificiales o conducciones en túnel, por las que el agua fluye en lámina libre (sin presión). Tabla 3. Tipos de conducción del agua. La superficie libre del caudal del agua está en contacto directo con la atmósfera. Cuando esto ocurre, el líquido fluye a presión atmosférica, a lo que se denomina régimen en lámina libre. El líquido se mueve por Conducciones la acción de la gravedad y necesita de una pendiente o desnivel. en lámina libre El agua puede circular en un canal abierto, o bien en un túnel en el que el agua no ocupa toda la sección, sino que una parte la ocupa aire a presión atmosférica. Todo el líquido está en contacto con las paredes del conducto que lo guía y envuelve físicamente. El conducto soporta la presión del fluido, Conducciones por lo que trabaja a régimen forzado. El líquido se desplaza por efecto en presión de dicha presión y las pendientes positivas o negativas no afectan a este desplazamiento. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 6 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas En los canales, que son conductos abiertos, la circulación del agua se da gracias a un desnivel muy pequeño entre embocadura y desembocadura. Son pendientes que van desde 1:10 000 hasta 5:1000, por lo que las velocidades no superan los 5 m/s, aunque en general se reducen a 1-2 m/s. Cuanto menor es la velocidad, menor es la pérdida de carga. Un canal puede ser trazado a través de aberturas realizadas en rocas, incluso pueden estar cubiertos en determinados tramos, dependiendo de las configuraciones del terreno. Mientras se mantenga el contacto entre la superficie libre de la masa del agua y la atmósfera, el canal seguirá siendo considerado como un conducto abierto que trabaja a régimen en lámina libre. Los canales que se utilizan para guiar el caudal de agua desde la toma hasta las cámaras de carga pueden ser: Figura 3. Canales. 3.2. Clasificación El caudal que transita por un canal depende de su sección transversal, su pendiente y su rugosidad. Los ríos son canales naturales de sección y rugosidad variables, tanto en el tiempo como en el espacio, por lo que aplicarles las leyes de la hidráulica teórica resulta muy complejo. Por el contrario, en los canales artificiales de perfil prismático, cuyos parámetros son bien conocidos, los resultados teóricos concuerdan aceptablemente con la realidad. Desde el punto de vista teórico, la sección más eficiente es la semicircular, que es la que tiene el menor perímetro mojado; sin embargo, un canal semicircular, a no ser que se empleen secciones prefabricadas, es costoso de construir y difícil de mantener. Por ello, la sección más habitual es la semihexagonal, que se aproxima en cierta media a la semicircular. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 7 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Sección más eficiente Es preciso señalar que la sección más eficiente desde el punto de vista hidráulico no tiene que ser necesariamente la más económica. La sección hidráulica óptima es la que minimiza el perímetro de contacto del agua con su contorno para una sección dada, para evitar pérdidas de carga por rozamiento. Sin embargo, la sección que se utilice será la óptima en relación coste- beneficio y dependerá también de: Coste de construcción: una excavación semicircular resulta muy costosa, por lo que se recurre a secciones semihexagonales, en terrenos blandos, o a secciones rectangulares, en terrenos duros, por menor coste de construcción. Características geotécnicas del terreno de la traza: influirá en el revestimiento (canal sin revestir, revestimiento con material suelto o escollera o revestimiento con hormigón), así como en sistemas para evitar o minimizar fugas (armadura para reducir fisuración del hormigón y empleo de geotextiles). Requisitos ambientales: influirán en el recorrido de la traza, la profundidad de excavación e, incluso, si es requerido recubrir el canal. Figura 4. Canales abiertos. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 8 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Hay ocasiones en que, en los canales, se debe situar la rasante por encima del terreno, como en los casos de depresiones o cruces de vaguadas. Si no se pueden hacer terraplenes de apoyo, la alternativa sería la utilización de un puente acueducto, o bien, un sifón. Acueductos Permiten seguir con la conducción en régimen libre, solo se rompe esta continuidad si hay un cambio de sección. En el acueducto hay menos pérdidas de carga dado a que el perímetro mojado es menor comparado con una conducción forzada y el trazado suele ser más corto. Como desventaja, se puede decir que el impacto visual de un acueducto es mayor que el de otro tipo de conducción, además de un elevado coste de construcción. Sifón Al utilizar un sifón, existe un cambio de régimen a la entrada y a la salida: de régimen libre al forzado, y viceversa. Este doble cambio de régimen se realiza mediante cámaras con una geometría tal que reduce las pérdidas de carga. Si bien el sifón tiene peores condiciones desde el punto de vista hidráulico (produce mayores pérdidas de carga), es un dispositivo que permite adaptar la conducción a cualquier depresión y es más adecuado que el acueducto en depresiones de más de 25 metros de profundidad o muy largas gracias a su menor coste de construcción. 4. Galería de presión Para ciertos tramos, la conducción en lámina libre circula por un túnel. Esto suele ocurrir cuando las características geomorfológicas del terreno (laderas abruptas, terrenos inestables, etc.) impiden la construcción de cualquier obra superficial. De esta forma, una solución es llevar el canal en túnel, lo que permite la conducción en terrenos más seguros, acorta su longitud y permite una mayor libertad de trazado. El mayor inconveniente de esta solución es el elevado coste de construcción de un túnel respecto a una obra superficial, además del mayor riesgo en la ejecución. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 9 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Otros casos en los que se recurre al canal en túnel son: Si se quiere minimizar el impacto visual. Si el canal exterior afecta a bienes cuya expropiación resulta muy elevada. Si la energía consumida por las pérdidas de carga y los costes de mantenimiento de la alternativa en túnel son menores que optando por el canal abierto. Debido al elevado coste de construcción de una obra en túnel, en general, cuando se tiene que recurrir a obra subterránea, se busca aprovechar lo máximo posible la sección para transporte de agua. Se tiende a diseñar la obra en túnel funcionando en presión, tal y como se explicaba en puntos anteriores. En dichos casos, las leyes hidrodinámicas son diferentes y el agua tiende a avanzar por diferencia de presión entre el punto de entrada y de salida, y no por efecto gravitatorio, como en los canales en régimen libre. 1 2 3 Figura 5. Secciones tipo más utilizadas en galerías de presión: en herradura (1), circular (2) y cuadrada/rectangular (3). La forma de la sección y tipo y espesor del revestimiento dependerán de las condiciones geológicas del macizo rocoso que se atraviese (resistencia y competencia de la roca, agua intersticial, etc.). © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 10 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas 5. Cámara de carga La cámara de carga es un depósito localizado al final del canal y desde la cual comienza la tubería forzada. En pequeñas minicentrales, se puede llegar a utilizar como depósito final de regulación, aunque normalmente sus funciones principales son acumular volumen para suministrar el mínimo necesario para el arranque de la turbina, sin transitorios que puedan dañar al equipo o evitar la sincronización, y proporcionar sumergencia a la tubería forzada para evitar entrada de aire en la misma. Cuando la conducción entre la toma de agua y la cámara de carga se realiza en presión, esta última será cerrada y tendrá además una chimenea de equilibrio para amortiguar las variaciones de presión y protegerla de los golpes de ariete. Al diseñar la geometría de la cámara hay que evitar al máximo las pérdidas de carga y los remolinos que puedan producirse, tanto aguas arriba como en la propia cámara. Si la tubería forzada no está suficientemente sumergida, un flujo de este tipo puede provocar la formación de vórtices que arrastren aire hasta la turbina, produciendo vibraciones que dañen al equipo y reduzcan su rendimiento. La cámara de carga debe contar además con un aliviadero, ya que, en caso de parada de la central, el agua no turbinada se desaguará hasta el río o arroyo más próximo. También es muy útil la instalación en la cámara de una reja con limpiarrejas y compuertas de desarenación y limpieza. La cámara de carga no es más que una variante de la toma de agua convencional, ubicada al final del canal hidráulico, aunque en algunos casos puede coincidir con la toma de agua en el cauce del río. Su diseño, al tener que alimentar directamente la tubería forzada, es más crítico que el de las tomas de agua convencionales, para las que, en todo caso, son válidos los criterios que aquí se exponen. Componentes: El perfil aguas arriba de la compuerta, tanto en lo que se refiere a las paredes laterales, como a la solera y al techo. La transición de una sección rectangular, en la rejilla, a otra circular en la tubería forzada. Los equipos mecánicos: rejillas y compuertas. El conducto de ventilación. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 11 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas 6. Chimeneas de equilibrio Las chimeneas de equilibrio son pozos o torres cilíndricas que se sitúan sobre las conducciones de agua, unidas a estas por la parte inferior. Delimitan el final de las galerías de presión y el comienzo de las tuberías forzadas. Asimismo, se pueden situar cerca de la unión de los tubos de aspiración con las galerías o túneles de desagüe cuando estas últimas sean muy largas. En el interior de las chimeneas de equilibrio, el nivel del agua fluctúa de acuerdo con los valores de presión que existen en las tuberías. De esta forma, actúan como una cámara de compensación de presiones y evitan que se transmitan grandes variaciones de presión durante transitorios desde la tubería forzada hacia la galería de presión por un cierre rápido en la turbina (efecto denominado golpe de ariete). Figura 6. Chimeneas de equilibrio. Las chimeneas de equilibrio transforman la energía cinética del agua en energía potencial. A su vez, estos dispositivos sirven para almacenar o suministrar el excedente de agua mientras se acelera o desacelera el agua en la galería o tubería. Se destacan cuatro funciones principales: Permiten la ejecución de maniobras de cierre o apertura de las turbinas, en cuestión de unos pocos segundos, sin que la presión varíe de forma excesiva y abrupta en la galería de presión. Mientras el agua acelera o desacelera en las tuberías, las chimeneas de equilibrio permiten almacenar o suministrar el caudal excedente o faltante. Proporcionan una superficie en lámina libre cercana a la central para facilitar la operación del salto. Permiten reducir notablemente la longitud de la galería expuesta a golpe de ariete y traspasan ese riesgo a la tubería forzada. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 12 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas 7. Tuberías forzadas 7.1. Definición Las tuberías forzadas están dentro de la categoría de conducciones forzadas en presión. Están totalmente llenas de agua, por lo que soportan elevadas presiones en toda su superficie. La columna de agua se desplaza por efecto de diferencia de presión y no por efecto de pendiente, como es el caso de las conducciones abiertas o canales. La función principal de estas tuberías es transportar el caudal a turbinar desde el punto de alimentación establecido (toma de agua, cámara de carga o chimenea de equilibrio) hasta las turbinas que están ubicadas en la central o casa de máquinas. Figura 7. Tuberías forzadas. Según la naturaleza o perfil topográfico del terreno, las tuberías forzadas pueden instalarse sobre o bajo el terreno. Otros aspectos que se consideran para la instalación de estas tuberías son: El tipo de material utilizado para su construcción. Condiciones ambientales (temperatura, filtración de agua, etc.). Las restricciones medioambientales de la zona. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 13 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas 7.2. Clasificación y distribuidores Según su posición relativa respecto al terreno, las tuberías forzadas se pueden clasificar en: Tabla 4. Clasificación de tuberías forzadas. Están sobre el terreno y expuestas a variaciones de temperatura importantes. Por lo tanto, tendrán movimientos de contracción y Aéreas dilatación. Suelen concebirse como una serie de tramos rectos, apoyados en soportes intermedios, y sujetos en macizos de anclaje que habitualmente se hacen coincidir con cambios de dirección. En algunos casos, las tuberías forzadas se colocan enterradas, generalmente como consecuencia de requisitos ambientales. Es decir, se instalan a cielo abierto en una trinchera, que Enterradas posteriormente se rellena. En estos casos, se suele rodear la tubería enterrada con grava y arena para que sirva como aislante; además, permite reducir las juntas de dilatación y bloques de anclajes, porque la tubería apoya en toda su traza por rozamiento. La tubería que irá dentro de una excavación o zanja abierta, no se cubre con tierra, sino que está en contacto con el aire libre y es de fácil acceso para el mantenimiento o reparación. Se recurre a este En trinchera sistema cuando: el terreno lo permite, los requisitos medioambientales lo exigen y cuando se quiere dar más protección a la tubería sin tener que enterrarla. Se alternan estos tres sistemas en los distintos tramos de una misma Mixtas tubería. Cuando la tubería forzada tiene que alimentar a más de un grupo o turbina, en su tramo final se ejecutan una serie de ramificaciones para distribuir el caudal uniformemente a cada uno de dichos grupos, de manera que la pérdida de carga sea mínima. Las piezas que constituyen esta ramificación se denominan distribuidores; estas piezas requieren un diseño hidrodinámico y estructural detallado para que no sufran roturas pues son lugares de concentración de turbulencias y puntos singulares de altas presiones y depresiones. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 14 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas 7.3. Esfuerzos El mayor esfuerzo que soporta la tubería es el de la presión interior como consecuencia de la operación del salto. A continuación, se describen los esfuerzos principales: Presión interior de funcionamiento. Sobrepresión interior durante transitorios (golpe de ariete). Presión exterior debida a depresión interior-vacío (transitorios). Efecto de fondo. Efecto de cambios de dirección. Efecto térmico. Efecto sísmico. Peso propio de la tubería. Peso del agua. Agentes exteriores (viento, nieve, etc.). Cargas locales (apoyos, anclajes, etc.). Cargas debidas a las pruebas hidrostáticas. Cargas debidas al montaje, obra civil, etc. Estos esfuerzos que actúan sobre la tubería forzada se combinan en varios estados de carga, que conforman la base para su cálculo y dimensionamiento y se clasifican como situaciones permanentes, variables y accidentales. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 15 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas 7.4. Materiales En la actualidad existe una importante variedad de materiales para las tuberías forzadas. Cuando el salto y el diámetro son grandes, el material utilizado es el acero. Es el material con resistencia suficiente bajo espesores aceptables para poder fabricar la tubería. Es relativamente barato y se puede conseguir con el diámetro que se desee. Tiene un factor de pérdida de carga reducido y regular y, si está bien protegido con pinturas anticorrosivas, su vida útil supera los 25 años. Es material pesado, pero, en caso de ser necesario, puede ser fabricado en las longitudes adecuadas para su instalación. Los distintos tramos se unen mediante soldaduras, bridas o juntas mecánicas. Otros materiales que se pueden emplear para construir tuberías forzadas son: hormigón armado, polietileno (PE), polietileno de alta densidad (HDPE), cloruro de polivinilo (PVC), poliéster reforzado con fibra de vidrio (GRP). El hormigón armado se utiliza especialmente en tuberías forzadas excavadas en túnel como revestimiento y soporte. 7.5. Uniones Generalmente las tuberías se fabrican en longitudes estándar que deben ser unidas en el lugar de la instalación. Para elegir el mejor método de unión, se deben tener en cuenta ciertos criterios: material, pericia del personal disponible, flexibilidad requerida en las uniones, costes de ejecución de cada unión y dificultad de ejecución de la unión. Los tipos de unión más habituales son: uniones con bridas, espiga y campana (o enchufe y cordón), uniones mecánicas, uniones soldadas. Figura 8. Tipos de unión. 7.6. Soportes Las tuberías forzadas están apoyadas sobre unos soportes o anclajes que tienen como función resistir el componente longitudinal del peso de la tubería llena de agua. Además, deben soportar las fuerzas de fricción que corresponden a los movimientos de expansión y contracción. El anclaje requerirá grandes cantidades de hormigón si el terreno no es lo suficientemente firme, lo que encarecerá la instalación. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 16 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Los soportes de las tuberías, si están en uno de sus cambios de sentido (bifurcación, codo, etc.) son llamados puntos fijos. Son macizos de anclaje, en los que el empuje inducido por la tubería al producir el giro en el flujo se transmite al terreno. Entre cada dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatación. Este es un elemento que permite ciertos movimientos relativos entre dos partes de una estructura, en este caso, entre dos tramos de una tubería. Macizo de anclaje Soporte de apoyo Figura 9. Tubería forzada. 8. Pérdidas de carga Es imprescindible para todos los cálculos de potencia y energía en una central hidroeléctrica saber el valor del salto neto. Este valor se obtiene al restar las pérdidas de carga al salto útil. 𝐻𝑛 = 𝐻𝑢 − 𝑃𝑐 Donde Hn es salto neto, Hu es salto útil y Pc es la suma de las pérdidas de carga. Debido a la fricción de las partículas de un fluido, en este caso el agua, cuando está en movimiento, existe una pérdida de energía dinámica. Las partículas de este fluido chocan entre sí y contra las paredes del recipiente o conducción que lo contiene. Este fenómeno de pérdida de energía se llama pérdida de carga, y ocurre cuando el agua fluye por cualquier tubería o canal. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 17 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Tabla 5. Tipos de pérdidas de carga. Son las originadas por la fricción del fluido con su contorno. Se puede utilizar la fórmula de Manning: 𝑛2 ∙ 𝑣 2 Primarias ∆𝐻cont =𝐿∙ 𝑅𝐻 4⁄3 Donde L es la longitud; n, el coeficiente de Manning que varía para cada material; v, la velocidad media en la sección; y RH es el radio hidráulico (igual a D/4 para secciones circulares). Son las originadas por la fricción en el seno del fluido, debido a las turbulencias. Este tipo de pérdidas se dan cuando hay cambios de sección, codos, válvulas, etc.; son originadas por rozamiento de forma (desprendimiento de la capa límite). Secundarias 𝑣2 ∆𝐻𝑙𝑜𝑐 =𝜁∙ 2∙𝑔 Donde ζ es el coeficiente de pérdidas secundarias, v es la velocidad media del fluido y g es la aceleración de la gravedad. Se pueden consultar prontuarios de hidráulica para conocer los coeficientes de pérdidas localizadas para diferentes elementos como codos, válvulas, rejillas, etc. 9. Resumen En todo aprovechamiento hidroeléctrico es necesario conducir el caudal de agua hacia el lugar deseado y, para ello, se emplean infraestructuras de conducción, como tomas de agua, canales, cámaras de carga, chimeneas de equilibrio y tuberías forzadas. Las tomas de agua se emplean para captar el agua que se turbinará posteriormente y derivarla hacia la conducción. Hay distintos tipos de tomas y su elección dependerá de varios factores, como el hecho de que se trate de una presa de derivación con un nivel de embalse constante o de regulación. Otro elemento de conducción de agua son los canales. En los canales, la superficie libre del caudal de agua está en contacto directo con la atmósfera. Una alternativa a los canales son las galerías de presión que trabajan bajo presión ya que todo el líquido está en contacto con las paredes del conducto que lo guía y envuelve físicamente. La cámara de carga es un depósito localizado al final del canal y desde la cual inicia la tubería forzada. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 18 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas Las chimeneas de equilibrio son pozos piezométricos que se sitúan sobre las conducciones de agua y están unidas a estas por la parte inferior. Se sitúan entre las galerías de presión y el comienzo de las tuberías forzadas, o a lo largo de un conducto de aspiración. Dentro de los sistemas de canalización, las tuberías forzadas se emplean para transportar el caudal que se va a turbinar desde el punto de alimentación establecido hasta las turbinas que están ubicadas en la central o casa de máquinas. Según el lugar donde se instalen en el terreno, se clasifican en: Aéreas. Enterradas. En trinchera. Mixtas. Cuando el agua fluye por cualquier tubería o canal, se produce una fricción de las partículas del fluido en movimiento que provoca una pérdida de energía. Este fenómeno de pérdida de energía se llama pérdida de carga. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 19 Energía hidráulica Tema 3. Infraestructuras de centrales hidroeléctricas © Todos los derechos de propiedad intelectual de esta obra pertenecen en exclusiva a la Universidad Europea de Canarias S.L.U. Queda terminantemente prohibida la reproducción, puesta a disposición del público y en general cualquier otra forma de explotación de toda o parte de la misma. La utilización no autorizada de esta obra, así como los perjuicios ocasionados en los derechos de propiedad intelectual e industrial de la Universidad Europea de Canarias S.L.U., darán lugar al ejercicio de las acciones que legalmente le correspondan y, en su caso, a las responsabilidades que de dicho ejercicio se deriven. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. 1 Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Energía hidráulica Tema 4. Infraestructuras y equipamiento © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Contenidos Objetivos 4. Rejillas 1. Compuertas y válvulas 5. Aireación 1.1. Compuertas 6. Disipadores de energía 1.2. Válvulas 7. Cavitación 2. Ataguías 8. Golpe de ariete 3. Desarenadores © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Objetivos A lo largo del recurso se trabajarán los siguientes objetivos: Comprender las diferentes infraestructuras que se integran en una central hidroeléctrica. Familiarizarse con la terminología de infraestructuras de generación hidroeléctrica. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento 1. Compuertas y válvulas En todo aprovechamiento hidroeléctrico es importante que se puedan aislar determinadas estructuras, bien para su mantenimiento, reparación, para abrir o cerrar el paso del agua y para regular el caudal que se quiera turbinar en cada momento. Para ello, existen diferentes modelos de compuertas y válvulas: Giratorias Sector, segmento y de clapetas Tipos de compuertas Deslizantes Vagón, Stoney, oruga y Bureau Tipos de De compuerta, mariposa, esférica y Howell-Bunger válvulas o chorro hueco © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento 1.1. Compuertas y válvulas. Compuertas Implantación: sumergida, Detener o dejar pasar una Regular el agua que pasa a conducción masa de agua través de una abertura abierta/presión Trayectoria curva alrededor Giratorias de un eje horizontal. Sector, segmento y de clapetas Tipos de compuertas Movimiento ascendente/descendente Deslizantes en un plano vertical. Vagón, Stoney, oruga y Bureau hormigón hormigón Giratoria - Clapeta Giratoria - Sector Deslizante © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Compuertas. Giratorias Segmento Sector Pantalla o tablero de superficie horizontal cilíndrica Zona de contacto con el agua total. curvada. Sentido apertura descendente. Sentido de apertura ascendente. Vertido sobre compuerta. Vertido bajo compuerta Apertura: repliegue en recinto estanco. Brazos metálicos en los extremos que se apoyan en Uso: túneles aliviaderos y aliviaderos de bulones de giro. superficie. Uso: aliviaderos de superficie y cierre de aguas debajo de desagües. Reducidos esfuerzos de giro: 2 accionamientos en los extremos Estanqueidad: juntas de goma ”nota musical”. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Compuertas. Giratorias: segmento y sector Su accionamiento está basado en cabrestantes (cadenas o cables). Tablero plano y giro en eje horizontal en la base © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Compuertas. Deslizantes Vagón Stoney Estructura metálica cara Guías tren de rodillos. aguas abajo. Uso: aliviaderos de Cojinetes de las guías superficie, túneles y de la compuerta. desagües. Accionamiento con cabestrantes. Uso: aliviaderos de superficie. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Compuertas. Deslizantes Oruga Bureau Cadena continua de rodillos. Tablero rectangular deslizamiento Soporta grandes presiones. vertical. Operación sin equilibrar presiones. Accionamiento con cilindros Estanqueidad con nota musical y hidráulicos. llanta metálica. Uso: alta presión (por ejemplo Uso: alta presión (por ejemplo desagües de fondo). desagües de fondo). © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento 1.2. Compuertas y válvulas. Válvulas Corte y control de flujo conductos cerrados de sección circular. Secciones menores a las compuertas. Clasificación. Válvulas de compuerta Válvulas de seccionamiento Válvulas de mariposa Por su función Por su forma constructiva Válvulas de seguridad Válvulas esféricas Válvulas Howell- Bunger © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Válvulas. De compuerta Corte de flujo: no control. Obturador: placa vertical de sección Por su forma Válvulas de rectangular o circular. constructiva compuerta Bypass: equilibrio presiones. Uso: desagües de fondo. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Válvulas. De mariposa Corte de flujo: no control por vibraciones y cavitación. Obturador: forma lenticular eje de giro diametral. Por su forma Válvulas de Sin bypass. constructiva mariposa Pérdidas de carga obturador. Estanqueidad: sellos metálicos. Uso: pequeña altura y gran caudal. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Válvulas. Esféricas Corte de flujo y control. Obturador: forma esférica adaptada Por su forma al cuerpo de válvula. Válvulas esféricas constructiva Con bypass. Sin pérdidas de carga y cierre estanco. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento Válvulas. Howell-Bunger o de chorro hueco Chorro hueco anular Por su forma Válvulas Corte: deflector + cilindro obturador constructiva Howell-Bunger Accionamiento - grupos motorreductores. Uso: salida desagüe de fondo - disipar energía. © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento 2. Ataguías Usos Bloquear o atajar el paso del agua para mantenimiento de compuertas Muros de contención Elementos de cierre de aberturas en conducciones Tablero metálico (o de madera) en uno o varios tramos (paquetes) que se colocan sobre guías Estanqueidad: juntas de goma (“nota musical”) sobre pletinas metálicas © Copyright Universidad Europea de Canarias S.L.U. Todos los derechos reservados. Tema 4. Infraestructuras y equipamiento 3. Desarenadores Corte transversal de un desarenador Desarenadores (discontinuos y continuos) Agua de cauce Implantación Planta de un desarenador o vista en planta Flujo de agua Tipos Parámetros (longitud y ancho, capacidad de acumulación, turbulencia del agua