Las obras especiales en el aprovechamiento de agua en centrales hidroeléctricas del Ecuador 

 
 INDICE

 

 2.      INTRODUCCION

 
Una central hidroeléctrica es una instalación que permite aprovechar las masas de agua en movimiento que circulan por los ríos para transformarlas en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a los alternadores.

El pequeño aprovechamiento hidráulico incluye un número de estructuras, cuyo diseño viene condicionado por el tipo de esquema, las condiciones locales, el acceso a los materiales de construcción e incluso por las tradiciones arquitecturales del país o región. A continuación se indican las estructuras más corrientes en un aprovechamiento hidráulico: 

• Estructura de derivación. 

ü  Presa o azud o Aliviadero

ü  Dispositivos para disipar la energía 

ü  Pasos de peces o Alimentadores del caudal ecológico 

• Conducciones hidráulicas 

ü  Toma de agua o Canales

ü  Túneles 

ü  Tuberías forzadas 

ü  Casa de maquinas 

En este proyecto se analizaran los criterios de diseño y las soluciones más utilizadas para estas estructuras.

 

 

El agua es vital para todos los procesos de la supervivencia y el desarrollo.  De allí la importancia de las obras especiales hidráulicas,  que  correctamente  proyectadas,  diseñadas y  construidas  permiten  el  mejor  aprovechamiento  de  los recursos hídricos poniéndolos en función de las necesidades del hombre y su entorno. Las centrales hidroeléctricas constituyen el principal generador de energía, y está constituida por las obras antes mencionadas las cuales ameritan un estudio detallado para su diseño, si el diseño de los componentes no se rigen a las normas pertinentes se originaria un grave daño que tendría afectación directa con la hidroeléctrica, ocasionando una pérdida irreparable de energía y por ende de la situación socioeconómica del país.

 

En época pasadas  se generaban graves inconvenientes por la falta de energía eléctrica, por tal motivo  se recurrió al mejoramiento  de las hidroeléctricas del país implementando obras especiales que permitieran la factibilidad de energía mediante la energía hidráulica  la cual es la más utilizada en nuestro país

Los canales pueden ser considerados la primera obra hidráulica de la humanidad ya que el hombre necesitó hacer excavaciones para conducir el agua desde los ríos hasta sus zonas de vivienda, cultivo o pastoreo. El material excavado era depositado a los lados de la zanja, dando así lugar a los diques. Posteriormente, el hombre vio cómo, colocando el material dentro del cauce de los ríos, podía construir presas y dar lugar a embalses para almacenar agua durante el invierno y suplir sus necesidades en épocas de sequía. 

 

Las fuentes de energía no renovables y la mala utilización de la energía, está generando cambios climáticos y degenerando el medio ambiente, por eso es necesario buscar fuentes de energía renovables como la energía hidroeléctrica ya que es un recurso sumamente abundante en nuestro país. Partiendo de este conceptos la centrales hidroeléctricas son la base primordial de la generación de este tipo energía, pero tenemos que tener presente que estas centrales constan de distintas partes las cuales son necesarias analizarlas para obtener un diseño correcto de ellas, he ahí la importancia del estudio de las obras especiales en las centrales hidroeléctricas 

 

¿De qué manera se puede  aprovechar las obras especiales en las centrales hidroeléctricas del ecuador para  evitar escases, mala repartición en las fuentes hídricas?

 
6.      OBJETIVOS

 

6.1.           OBJETIVO GENERAL

 

      Estudiar y analizar las obras especiales para el aprovechamiento de agua en centrales hidroeléctricas de esta manera obtener conocimientos sobre el tema en el ámbito de la carrera

6.2.           OBJETIVOS ESPECIFICOS

 
 Investigar conceptos básicos sobre las centrales hidroeléctricas
Analizar las diferentes obras especiales que constituyen una central hidroeléctrica

Definir conceptos claros y precisos acerca del estudio de cada obra especial 

 

6.1 OBRAS ESPECIALES EN CENTRALES HIDROELECTRICAS

6.1.1. CONCEPTO DE CENTRAL HIDROELECTRICA

Las centrales hidroeléctricas pueden definirse como instalaciones mediante las que se consigue aprovechar la energía contenida en una masa de agua situada a una cierta altura, transformándola en energía eléctrica. 

En una central hidroeléctrica encontramos diversas obras especiales las cuales estudiaremos a continuación:

6.1.2. OBRAS ESPECIALES

 Las presas y azudes se utilizan fundamentalmente para derivar agua del cauce del río al sistema de conducciones hidráulicas del aprovechamiento. Las presas también pueden utilizarse para aumentar el salto necesario para generar la energía requerida. La elección del tipo de presa viene en gran medida condicionada por las condiciones topográficas y geotécnicas del sitio. Por ejemplo si no hay un terreno rocoso, a una profundidad razonable, no se puede pensar en emplear estructuras rígidas del tipo de una prensa de hormigón. Asimismo, en un valle estrecho será difícil disponer de espacio para construir un aliviadero separado de la presa y la solución de una presa de hormigón con el aliviadero incorporado será la solución más acertada. 

Según la Convención Internacional de Grandes Presas , una presa se considera .pequeña. si su altura, medida desde la base a la coronación, es inferior a 15 m, la longitud en la coronación no supera los 500 m y el agua embalsada está por debajo del millón de metros cúbicos. Esta diferenciación es importante, dadas las exigencias administrativas que hay que cumplir cuando se trata de .grandes presas. Las presas de materiales sueltos se han generalizado, debido a las características que poseen:

      Son poco exigentes en lo que se refiere a fundaciones 

      Para su construcción se utiliza una gran variedad de materiales que, en general, son fáciles de encontrar a escasa distancia del sitio

      El proceso de construcción es continuo y se presta fácilmente a su mecanización 

      Su diseño es extraordinariamente flexible y admiten una gran variedad de componentes

 
La gran mayoría de los pequeños aprovechamientos son de los llamados de agua fluyente, en los que la electricidad se genera mientras fluye el agua por el cauce, y dejan de hacerlo cuando el caudal es inferior al mínimo técnico de las turbinas que lo equipan. En estos aprovechamientos, se levanta en el cauce una estructura que permita desviar un cierto caudal para conducirlo a la central. En su versión más elemental esa estructura es un simple obstáculo, capaz de remansar el agua, para poder derivar el caudal deseado y sobre el que continúa pasando agua.

 Cuando el aprovechamiento es de mayor importancia, ese obstáculo pasa a ser una presa, generalmente de poca altura, conocida como azud, cuya misión, como en el caso anterior, no es almacenar agua sino remansarla para que pueda ser derivada en condiciones favorables.  Los azudes pueden clasificarse en fijos y móviles Los fijos se denominan azudes y los móviles, aliviaderos con compuerta. El azud es una estructura simple que no requiere mantenimiento y económica, pero tiene el inconveniente de no poder regular la altura de la lámina de agua, por lo que esta y la producción de energía fluctúan con el caudal.

Las estructuras móviles con compuertas pueden regular el nivel del agua, aguas arriba de las mismas, de forma que permanezca más o menos constante, para valores del caudal del río muy variable (naturalmente este objetivo no se puede conseguir en caso de avenidas). Si la configuración y tamaño de las compuertas lo permiten, también pueden utilizarse para evacuar los sedimentos acumulados en la toma. Estas estructuras son más costosas y delicadas que las fijas, requieren un mantenimiento más cuidadoso, y hay que asegurarse de que no falte nunca la energía para su accionamiento. Ya que su seguridad no es pasiva, como en las estructuras fijas

Cuando no se dispone de espacio para construir un aliviadero convencional se puede acudir a un aliviadero en sifón o a un aliviadero en pozo, soluciones ambas muy eficaces para mantener, entre limites muy estrechos, el nivel del agua, aguas arriba del azud. Un aliviadero en sifón es básicamente un conducto cerrado, de perfil curvo.

Cuando la lámina de agua sobrepasa el codo del sifón, comienza a verter como lo haría en un aliviadero convencional; pero cuando el nivel sube hasta llegar a cebarlo, el caudal aumenta considerablemente. Debido a ello, si el sifón está mal diseñado puede entrar en régimen inestable; efectivamente inicialmente el sifón vierte como si se tratara de un aliviadero convencional, pero al cebarse aumenta considerablemente el caudal de vertido, con lo que desciende el nivel aguas arriba y se desceba, volviendo a disminuir el caudal de vertido. Esto hace que vuelva a subir el nivel aguas arriba y se cebe nuevamente el sifón, pudiendo repetirse el ciclo por tiempo indefinido. 

Si la presión en la coronación del sifón desciende por debajo de la presión del vapor de agua, esta se vaporiza desprendiendo un gran número de pequeñas burbujas, que arrastradas por la corriente, estallan al alcanzar una zona de mayor presión. Este fenómeno, conocido como cavitación, puede ser muy dañino para el sifón. Para evitarlo, hay que limitar la distancia entre el techo del sifón y la máxima altura, aguas arriba, de la lámina de agua. Esa distancia es función de la altura del sifón sobre el nivel del mar y de la presión barométrica dominante, pero en general no deberá exceder de 5 m. 

Los aliviaderos en pozo, o «morning glory» se usan poco en pequeñas centrales. Como puede verse en la figura 5.11 un aliviadero en pozo consta de una entrada almenada, para aumentar la longitud de la coronación, una zona de transición con un perfil equivalente al del aliviadero convencional, un pozo vertical y un conducto de salida, que a veces tiene una ligera pendiente positiva para garantizar que en su parte final nunca está completamente vacío

 

La descarga de las estructuras fijas o móviles descritas más arriba es, a la salida, en régimen generalmente supercrítico. Las elevadas velocidades y la turbulencia pueden dar lugar a fenómenos importantes de erosión en el pie de la presa, especialmente si el cauce no es rocoso, sino como es frecuente contiene arcillas, limos, arena, grava o rocas sueltas. Para evitar esos daños hay que acudir a la construcción de estructuras generalmente costosas. Las más utilizadas son:

ü  Cuenco amortiguador 

ü  Cuenco disipador con bloques de hormigón 

ü  Piscina de inmersión 

ü  Rápidas de caída 

La mayoría de estas estructuras disipan la energía de la corriente de agua mediante la formación de un “salto hidráulico” que disipa una gran cantidad de energía en una distancia relativamente corta. El diseño y construcción de estas estructuras es un trabajo muy complejo y el proyectista deberá a acudir a especialistas en la materia, tanto más cuanto que en general exigen ensayos en modelos reducidos. En las presas RCC es posible aplicar los escalones que resultan en el aliviadero para reducir parte de la energía en el propio vertido, reduciendo así los cuencos de remansamiento.

Una toma de agua tiene que desviar el caudal requerido para generar la energía, respetando el medio ambiente en que se integra, con la mínima pérdida de carga posible y sea cual sea la altura de la lámina de agua en el río. La toma actúa como zona de transición entre un curso de agua, que puede ser un río tranquilo o un torrente turbulento, y el canal de derivación por donde circula un caudal de agua, que debe estar controlado, tanto en cantidad como en calidad. Su diseño, basado en consideraciones geomorfológicas, hidráulicas, estructurales y económicas, requiere un cuidado especial para evitar problemas de funcionamiento y conservación a todo lo largo de la vida de la central.9 El diseño de una toma de agua obedece a tres criterios: 

• Hidráulicos y estructurales, que son comunes a todas las tomas de agua. 

• Operativos - control del caudal, eliminación de basuras, deposición de los sedimentos- que varían de toma a toma. 

• relacionados con el medio ambiente - barreras para impedir el paso de peces, escalas de peces - que son característicos de cada proyecto

 

 Lo primero que hay que hacer es identificar el tipo de toma de agua que necesita el aprovechamiento. Pese a la gran variedad de toma existente, estas pueden clasificarse con arreglo a los siguientes criterios:

·Cámara de carga. La toma de agua alimenta directamente la tubería forzada por la que el agua circula a presión. En todo caso, al final del canal siempre habrá una cámara de carga de la que arranca la tubería forzada. 

• Cámara de transferencia. La toma de agua alimenta un conducto abierto de agua - un canal o un túnel - que termina en una cámara de carga de la que arranca la tubería forzada. 

El vertedero, llamado también aliviadero, es el nombre de una estructura hidráulica cuya finalidad es la de permitir que pase el agua a los escurrimientos superficiales. Los vertederos se usan conjuntamente con las compuertas para mantener un río navegable o para proveer del nivel necesario a la navegación El vertedero hidráulico cumple diferentes funciones entre las que se encuentran las que se destacan, garantizar que la estructura hidráulica ofrezca seguridad, pues impide que se eleve el nivel de aguas arriba sobre el nivel máximo. Garantizar que el nivel de agua tenga poca variación en el canal de riego aguas arriba. Componerse en una zona de una sección de aforo que tenga el río o el arroyo.