Fenomenos Transitorios en Centrales Hidroelectricas

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    07-Jul-2015

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<p>2011</p> <p>FENOMENOS TRANSITORIOS EN CENTRALES HIDROELECTRICASGOLPE DE ARIETE-CHIMENEA DE EQUILIBBRIOEvaluacin de los fenmenos transitorios en la central hidroelctrica ,con ayuda del programa Microsoft Excel .</p> <p>Lacoste Toshiba 02/07/2011</p> <p>FENOMENOS TRANSITORIOS EN CENTRALES HIDROELECTRICAS</p> <p>INDICE:y Introduccin y Marco Terico o Golpe de Ariete o Chimenea de Equilibrio y Clculos y Conclusiones y Bibliografas y Anexos</p> <p>INTRODUCCION</p> <p>Se conoce con el nombre de transitorios a los fenmenos de variacin de presiones en las conducciones a presin, motivadas en variaciones proporcionales en las velocidades. En centrales hidrolectricas se producen dichos fenmenos : Golpe de Ariete y Chimenea de Equilibrio . Se podra definir al fenmeno de Golpe de Ariete como la oscilacin de presin por encima o debajo de la normal a raz de las rpidas fluctuaciones de la velocidad del escurrimiento. En realidad, el fenmeno conocido como "Golpe de Ariete" es un caso particular del studio de los movimientos transitorios en las conducciones a presin. La diferencia se encuentra en que los transitorios implican variaciones de velocidad y su correlacin con la transformacin en variaciones de presin de pequea magnitud, mientras que el "Golpe de Ariete" implica las grandes variaciones, de velocidad y presin. La chimenea de equilibrio como un muelle hidralico o un condensador elctrico, es decir, absorbiendo y devolviendo energa. Con el podemos apasiguar el fenmeno de golpe de ariete ; este consiste en un pozo vertical situado lo ms cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobrepresin de agua esta encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cmara de presin de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En este trabajo evaluaremos estos dos fenmenos llamados transitorios y los calcularemos apoyados de un programa en Microsoft Excel ,esperando aportar ala enseanza de dichos fenmenos .</p> <p>MARCO TEORICO : CENTRAL HIDROELECTRICAS :</p> <p>Una central hidroelctrica es una instalacin donde se transforma la energa potencial (asociada a la altura) y cintica (asociada al movimiento) en energa elctrica. El agua cae desde la presa hasta unas turbinas que se encuentran en su base. Al recibir la fuerza del agua las turbinas comienzan a girar. Las turbinas estn conectadas a unos generadores, que al girar, producen electricidad. La electricidad viaja desde los generadores hasta unos transformadores, donde se eleva la tensin para poder transportar la electricidad hasta los centros de consumo. Podemos ver todo esto con un sencillo dibujo:</p> <p>GOLPE DE ARIETE: El golpe de ariete, o Pulso de Joukowski, llamado as por el ingeniero ruso</p> <p>Nikolay Egorovich Zhukovskiy, es junto a la cavitacin el principal causante de averas en las tuberas e instalaciones hidrulicas. El golpe de ariete tiene lugar debido a que el agua no es un fluido literalmente incompresible, sino que es ligeramente elstico. Como consecuencia de ello, al cerrar una vlvula de un extremo bruscamente en 45 una tubera de cierta longitud, las partculas del agua al tener una inercia tienen a seguir movindose en la direccin en la que iban. Esto provoca una sobre presin en el interior de la tubera tanto mayor como cerca estemos de la vlvula, en la zona de aguas arriba. Esta sobre presin origina unos esfuerzos muy grandes en la tubera, que llega a deformarse elsticamente (en algunos casos extremos plsticamente) y que al recuperar sus dimensiones originales es esta a su vez la que comprime al fluido, que tiende a moverse en sentido contrario al inicial. Esto acaba por originar una depresin dentro de la tubera tanto mayor como de cerca estemos de la vlvula, llegando a producirse cavitacin en casos extremos. Esta depresin acaba por atraer de nuevo al fluido dando lugar a un nuevo inicio del ciclo de contraccinHexpansin del agua hasta que la energa se disipe por el propio rozamiento del fluido y las contracciones y expansiones de la tubera de manera natural. Naturalmente, esta opcin no es la ms indicada pues la tubera forzada podra sufrir importantes daos. Las consecuencias de este fenmeno pueden resultar fatales para la instalacin hidrulica pues las sobrepresiones que pueden llegar a</p> <p>producirse pueden alcanzar entre sesenta y cien veces la presin a la que trabaja la tubera normalmente. La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud de la tubera y a la velocidad del fluido, ya que hay ms cantidad de fluido aguas arriba de la vlvula y este tiene ms energa. Del mismo modo, la magnitud del fenmeno es inversamente proporcional a la velocidad de cierre de la vlvula por lo que una manera de mitigar el problema es cerrando suficientemente lentamente la vlvula. Los siguientes son algunos casos en que se puede presentar golpe de ariete: yCambios en la abertura de la vlvula, accidental o planeado. yArranque o interrupcin de bombas. yCambios en la demanda de potencia de turbinas. yCambios de elevacin del embalse. yOndas en el embalse. yVibracin de impulsores en bombas, ventiladores o turbinas. yVariaciones en la apertura o cierre del gobernador o regulador de una turbina causadas por cambios en la carga de los sistemas elctricos. yVibracin de accesorios deformables tales como vlvulas. El golpe de ariete puede ser positivo o negativo de acuerdo a la forma en que se produzca. Cuando se cierra sbitamente una vlvula se presenta un golpe de ariete positivo o sobrepresin. El golpe de ariete negativo o subpresin ocurre al efectuarse la apertura brusca de una vlvula. El fenmeno se presenta en forma de una onda oscilatoria que viaja a lo largo de la tubera. El primer pico que registra esa onda corresponde a la sobreelevacin mxima y tiene la misma magnitud para el golpe de ariete positivo y para el negativo. La Figura XV.1 representa la variacin de la presin en la vlvula de cierre rpido sin considerar prdidas por friccin debido al desplazamiento de la onda de sobrepresin a lo largo del conducto. El ciclo de las ondas de sobrepresin y subpresin se repetira indefinidamente pero las prdidas de energa hacen que vaya atenundose hasta anularse por completo tal como se ilustra en la Figura XV.2.</p> <p>Valor de la celeridad.La celeridad (a) es la velocidad de propagacin de la onda de presin a travs del agua contenida en la tubera, por lo que su ecuacin de dimensiones es L T1 . Su valor se determina a partir de la ecuacin de continuidad y depende fundamentalmente de las caractersticas geomtricas y mecnicas de la conduccin, as como de la compresibilidad del agua. Una expresin prctica propuesta por Allievi, que permite una evaluacin rpida del valor de la celeridad cuando el fluido circulante es agua, es la siguiente: a! 1 1 cD V K eE </p> <p>K mdulo de compresibilidad del lquido (=2.1x109 N/m2 para el agua) E mdulo de elasticidad de la tubera (=2.1x1011 N/m2 para el acero) D dimetro de la tubera e espesor de la tubera V - densidad del lquido (=1000 kg/m3 para el agua) c constante que depende del mtodo de anclaje de la tubera Para tuberas con junta expansin a lo largo de su longitud, el valor de c est dado por: c = 1 - Q/2 donde Q representa el mdulo de Poisson</p> <p>El Modelo Rgido Esta ecuacin la podemos integrar a travs de dos puntos, con la nica restriccin que ambos puntos estn unidos por una lneas de corriente, por ejemplo, una tubera. Integrndola a lo largo de la longitud L que une ambos puntos, y utilizando la variable V en vez de Q obtenemos que:</p> <p>Para un cierre uniforme de la vlvula en un tiempo T, la sobrepresin mxima en el extremo final de la lnea est dada por:</p> <p>donde:</p> <p>(Hmax sobrepresin mxima en el extremo final de la lnea Ho carga en el extremo final de la lnea para condiciones permanentes Vo velocidad en la conduccin para condiciones permanentes VT velocidad luego de efectuada la operacin de cierre L longitud de la conduccin T tiempo de cierre</p> <p>H max B B2 ! B Ho 2 4</p> <p> L(Vo VT ) B! gH oT </p> <p>2</p> <p>La relacin planteada es vlida para movimientos lentos de la vlvula: T (seg) &gt; L (m) / 300 EL METODO DE ALLIEVI El mtodo de Allievi, en su formulacin simplificada, permite determinar la sobrepresin mxima en el extremo final de la lnea, a partir del siguiente procedimiento: Calcular el parmetro V :V '! aVo 2 gH o</p> <p>donde cada uno de los trminos tiene el significado usual Determinar el perodo del golpe de ariete X:X! 2L a</p> <p> Determinar el parmetro L1:L1 ! 1 X T</p> <p> Hallar el valor de los parmetros \1 y \T:\1 ! V </p> <p>1</p> <p>V 1 2 1 2 V2</p> <p>\T !</p> <p>VX VX 1 2T 2T </p> <p>donde en general:</p> <p>\i !</p> <p>Hi Ho</p> <p> Hallar Hmax = max {H1, HT} Calcular la sobrepresin mxima en el extremo final de la lnea: (Hmax= Hmax - Ho</p> <p>DE CONTROL DEL GOLPE DE ARIETE. Para la reduccin del golpe de ariete se tienen, bsicamente, dos posibilidades: bien actuar sobre la fuente que produce la perturbacin, o bien reducirla una vez que sta se ha producido. El primer sistema es el ms aconsejable, pero no siempre es posible su aplicacin. Dentro de los medios para actuar sobre la fuente se tiene: Aumentar los tiempos de apertura y cierre de las vlvulas. Incrementar la inercia de bombas y turbinas. Evitar vibraciones fluidodinmicas y posibles resonancias. Dentro del mbito de aplicacin de actuacin sobre la perturbacin se encuentran: Vlvulas de descarga. Chimeneas de equilibrio. Acumuladores o depsitos de aire. Vlvulas de admisin de aire. 1.4.1 Chimeneas de equilibrio. Las chimeneas de equilibrio son tneles verticales abiertos que se sitan cerca del elemento que provoca el golpe de ariete. De esta forma, la condicin de contorno se transforma en la de un depsito (no ideal), convirtiendo la pulsacin de alta intensidad y frecuencia del golpe de ariete en una pulsacin de baja intensidad y frecuencia, correspondiente a una oscilacin en masa. Es habitual su utilizacin en centrales hidrulicas para proteger los tneles de hormign anteriores a las tuberas forzadas.</p> <p>Al cerrar la vlvula (o los labes distribuidores de la turbina), el agua del tnel puede entrar libremente en la chimenea, donde se para al convertir su energa cintica en energa potencial. Si se quiere evitar el derrame del lquido por la parte superior de la chimenea, sta deber tener la altura suficiente. A partir de la mxima sobrepresin como consecuencia de un cierre instantneo (caso ms desfavorable) es sencillo deducir la altura mxima de agua que se alcanzara en ese cierre brusco:</p>