Elementos hidráulicos de una central
Los elementos hidráulicos de una central permiten una categorización adecuada de los tipos de energía renovable en esta área.
facultad de ingeniería · energías renovables
jue. 30 de dic. 2021
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Se abordarán en este tema los elementos hidráulicos de mayor importancia en una central hidroeléctrica. Para la identificación de los elementos que se presentan a continuación, se hace la distinción entre centrales hidroeléctricas de embalse (o pie de presa) y las centrales de pasada (o fluyente). En el caso de las centrales hidroeléctricas de embalse las obras hidráulicas que las componen son:

  • Presa.
  • Obras de captación.
  • Obras de evacuación de crecidas.

En cambio, las obras que componen las centrales hidroeléctricas de pasada, se pueden agrupar en las siguientes categorías:

  • Obras de captación.
  • Las obras de conducción.
  • Obras de descarga.

De las obras indicadas anteriormente el funcionamiento hidráulico de los dos tipos de centrales es diferente dependiendo si se trata de una central a pie de presa o si se trata de una central fluyente, sobre todo por el hecho de contar con la presa que es un muro que permite almacenar el agua y el cual actúa como obra de regulación para asegurar una carga de energía. Las obras a las cuales se dará mayor importancia en este artículo son las relacionadas con los de las centrales de pasada o fluyente, dado que son las centrales de mayor uso en la actualidad dadas sus ventajas comparativas respecto a las de embalse o pie de presa.

Obras de captación

Estas obras permiten la captación del caudal que se utilizará del cauce, para luego, mediante el siguiente grupo de obras, conducirlas a las turbinas para la generación eléctrica. Las obras de captación se clasifican en dos tipos categorías:

  1. Obra de captación superficiales: se usan generalmente en centrales de agua fluyente (o de pasada) para captar el agua desde un cauce.
  2. Obra de captación profundas: se emplean en centrales a pie de presa (o de embalse).

Un concepto hidráulico que se mencionará en forma recurrente en este tema son las denominadas pérdidas de carga, que corresponden a la energía que se genera por la fricción o debido a diferentes singularidades en cualquier conducción de agua. La importancia de las pérdidas de carga es debido a que corresponde a energía que no aprovechable para la generación hidroeléctrica, por lo tanto, el objetivo es lograr minimizarlas. A continuación se describen las obras de captación que componen las dos categorías indicadas anteriormente.

Obras de captación superficiales

Las obras que forman parte de este grupo son las que se mencionan a continuación:

  • Rejas.
  • Compuertas.
  • Barreras.
  • Obras de disiripiación (trampa de piedras, desarenador).
  • Vertedero de seguridad.

Para evitar el ingreso de materiales que pudieran afectar a los equipos de generación, se deben considerar rejas que retengan estos elementos antes de su paso a la obra de conducción y posteriormente a las turbinas. Las rejas se deben diseñar de manera tal que se facilite su limpieza y de esta manera reducir las pérdidas de carga que se generan en este punto. Se deben considerar trabajos de limpieza periódicos sobre todo en las obras de captación para no afectar la captación del caudal y perjudicar la generación de energía.

Uno de los aspectos más importantes de las obras de captación superficiales es el diseño de las obras de disipiación las cuales permiten acondicionar el agua captada, reteniendo los sedimentos gruesos y garantizando de esta manera la durabilidad de los equipos de generación al reducir los sedimentos acumulados en las obras de conducción. Para dimensionar correctamente las obras de disipiación, es fundamental conocer el potencial de arrastre de sedimento del cauce, tanto en condición normal como en crecidas.

Si no se cuantifica adecuadamente las obras de disipiación será necesario realizar desripiados más frecuentes, aumentando de esta manera los costos de mantenimiento. Para cuantificar el arrastre de sedimentos en un cauce se debe conocer las características granulométricas del fondo del cauce y junto a las condiciones hidráulicas del cauce en el sector de estudio, tal como altura y velocidad de escurrimiento, se determina el arrastre de sedimento en un punto específico del cauce.

Obras de captación profundas

Estas obras están sumergidas en el embalse, a un cierto nivel desde el fondo del terreno. Se conectan a las turbinas por medio de una conducción a través del cuerpo de la presa. Al tener su captación a un nivel superior del fondo del embalse, se evita que ingresen sedimentos hacia las turbinas. Esto dado que estos se depositan bajo la cota de la obra de captación. Sin embargo, al estar ubicada a un cierto nivel de fondo se genera un volumen no aprovechable o también denominado volumen muerto del embalse. Las obras de captación profunda también están provistas por rejas que evitan que ingresen elementos indeseados hacia la conducción y eventualmente hacia los equipos de generación.

Obras de conducción

Estas obras son las encargadas de conducir el agua desde la obra de captación hasta los equipos de generación. Las obras de conducción se clasifican en dos tipos:

  • Obras de conducción sin presión: cuando el agua opera en escurrimiento libre con presión atmosférica, pueden ser canales, túneles o tuberías.
  • Las obras de conducción en presión: cuando el agua contenida en una obra cerrada, opera a sección llena generando presión interna dentro de la conducción.

Obras de conducción sin presión

Dentro de las obras de conducción sin presión están los canales, los cuales corresponden a las obras de conducción más sencillas de materializar. Algunas consideraciones en el diseño de los canales es la definición de su sección transversal, la necesidad de revestimiento interno y las velocidades máximas permisibles del escurrimiento.

Parte de estas definiciones provienen de las condiciones de sitio donde se emplazará el canal. Se debe tener en cuenta las condiciones donde se proyectan los canales, dado que, al ser conducciones abiertas, es vulnerable a fallas de operación por caída de rocas o elementos que pudieran interrumpir la conducción. Por lo anterior se deberá analizar la ventaja de una conducción cerrada en perjuicio de su mayor costo. El revestimiento de los canales permite reducir las filtraciones, disminuir las pérdidas de carga y mejorar la seguridad de su funcionamiento.

En el caso de utilizar revestimiento de hormigón, se suele limitar la velocidad de escurrimiento a 10 m/s. Sin embargo, cuando el escurrimiento tiene sedimento en suspensión la velocidad máxima sugerida es entre 3 – 4 m/s para reducir el desgaste del revestimiento. Por seguridad, se recomienda considerar una altura de revancha en los canales entre un 5 – 30 % de la altura de escurrimiento; el que normalmente está en el rango de 20 – 50 cm.

Como alternativa a los canales, están los túneles que funcionan en escurrimiento libre, o sin presión. Estos permiten atravesar singularidades topográficas sin necesidad de rodearlas. Con esto se reduce la longitud del trazado de la conducción, con la consecuente disminución de las pérdidas de energía y un aumento del potencial de energía disponible

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