He MAGAZINE VI

CENTRAL HIDROELÉCTRICA

JAGUAS

MAGAZINE 3 JUNIO 2014

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

10 ¿QUÉ ES UNA HIDROELÉCTRICA? 10

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CENTRAL HIDROELECTRICA JAGUAS

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Bienvenido a EDITORIAL En su sexta edición, la Revista He MAGAZINE, se permite presentar el funcionamiento de las centrales hidroeléctricas, centrando la atención en La Central Hidroeléctrica Jaguas, ubicada en el departamento de Antioquia. Se hace énfasis en su sistema de control y teniendo en cuenta todas condiciones que le permite posicionarse como una de las más importantes del país.

Por otro lado, se hace una reflexión sobre el cuidado al medio ambiente, para ser mas consientes a la hora de utilizar la energía.

Se hace una propuesta innovadora, de una mini hidroeléctrica, la cual no representaría un obstáculo al curso natural de la vida natural, pues no necesita de un embalse inmenso, es decir, no se requiere inundar grandes extensiones de tierra.

GRUPO EDITOR

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín 2014 3 JUNIO 2014

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¿QUÉ ES UNA HIDROELÉCTRICA? Laura Alejandra Sánchez Giraldo laasanchezgi@unal.edu.co

Jairo Alonso Llorente Tamara jalloren@unal.edu.co Universidad

Gregg Anderson Hudson Mitchell gahundsonm@unal.edu.co

Jorge Ricardo Montero Córdoba jrmonteroc@unal.edu.co

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

RESUMEN: las centrales hidroeléctricas son estaciones desde las cuales se aprovecha la energía de un salto de aguapara convertirlo en ene rgía eléctrica. La central hidroeléctrica Jaguas, está localizada en el departamento de Antioquia, sobre las hoyas hidrográficas de los ríos Nare y Guatapé, a 117 Km al oriente de Medellín por la vía –El Peñol-Guatapé-San Rafael. La energía producida por la central es suministrada al sistema de transmisión nacional mediante una subastación de 230 KV que conecta la central de Jaguas en las subastaciones Guatapé en Antioquia y Malena Comuneros y Barranca en Santander.

PALABRAS CLAVES: Central Hidroeléctrica, Energía Hidráulica, Energía Eléctrica, Central Hidroeléctrica Jaguas, Sistemas de Control, Medio Ambiente. energía llegue a los centros de consumo con la con la debida calidad.

Una central hidroeléctrica es una instalación que se utiliza para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía hidráulica La energía se transforma, es decir, no se pierde.

De igual manera, para obtener e nergía eléctrica se debe partir de alguna otra fuente de energía y realizar un proceso de transformación.

Concentrando grandes cantidades de agua en un embalse se obtiene inicialmente energía potencial.

Por la acción de la gravedad, el agua adquiere energía cinética o de movimiento: pasa de un nivel superior a uno muy bajo, a través de las obras de conducción. A la energía desarrollada por el agua al caer se denomina energía hidráulica.

Por su masa y velocidad, el agua produce un empuje que se aplica a las turbinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía mecánica. Esta se propaga a los generadores acoplados a las turbinas. Los generadores producen energía eléctrica, la cual pasa a la subastación contigua o cerca de la planta. La subastación eleva la tensión o voltaje para que la

La toma de agua capta el agua del embalse para introducirla en la Turbina. Esta a su vez, está compuesta por la reja protectora, la compuerta de servicio, el servomotor, el sistema de válvulas y la tubería de presión, que conduce el agua hasta la Caja Espiral, compuesta por: La turbina, la rueda de la turbina, el eje, el conjunto de poleas fijas y móviles y el tubo de succión.

La caja espiral tiene un diámetro variable para mantener la presión del agua al chocar con la turbina; esta transforma la energía cinética del agua en energía mecánica. Su potencia depende del caudal del agua y la diferencia entre aguas arriba y aguas abajo.

Su potencia depende del caudal del agua y la diferencia entre aguas arriba y aguas abajo.

Luego por medio del Tubo de Succión se conduce el agua al Canal de Evacuación.

El Eje Inferior transmite la rotación de la turbina al Rotor, constituido por barras de cobre, 4

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en la parte girante del Generador, esta consta de una parte fija denominada Stator.

Para entrar en operación una unidad generadora hace el llenado de agua, el cual se divide en dos etapas: 1. La compuerta del tubo de succión y las aguas abajo tienen distintas presiones, para equilibrarlas se abre el sistema de válvulas, llenando así el tubo de succión, la turbina, la caja espiral y parte de tubería de presión; llegando a un equilibrio hidráulico con el rio aguas abajo. A continuación se abren las Compuertas Stoplock de aguas abajo.

provenientes de los afluentes, y está compuesto por compuertas, a través de canaletas de escurrimiento que es la parte final del Salto Script que disipa la fuerza del agua debido a la velocidad del escurrimiento y evitar la erosión del lecho del rio.

El agua evacuada no produce energía eléctrica.

2. La compuerta de la toma de agua se encuentra a dista presión con las aguas arriba, para equilibrarlas se abre el sistema de válvulas aguas arriba llenando por completo la tubería de presión, para después poder abrir las compuertas aguas arriba utilizando el servomotor.

Posteriormente las poleas móviles del distribuidor se abren permitiendo que el agua acumulada en el embalse pueda fluir a través de la tubería de presión, la caja espirar y el tubo de succión hacia el lecho del rio, aprovechando la energía cinética del agua para hacer girar la rueda de la turbina.

En el generador es creado un campo magnético por la aplicación de la corriente continua en el rotor del generador, lo cual sumado a su movimiento rotativo provoca la inducción de tensión en el Stator que deja circulas una gran corriente alternada.

Una vez conectada al sistema, la energía generada es elevada por los Transformadores.

Desde la casa de maquinas salen líneas de transmisión que llevan la energía eléctrica a su destino final. El agua que sale de la presa va por el Vertedero, cuya función es controlar los excesos de agua

Figura 1. Partes de una central H idroeléctr ica

Para generar energía eléctrica mediante el movimiento de un rio. Esta energía obtenida es mucho más segura, limpia y económica en comparación con la obtenida por el petróleo, el carbón o la energía nuclear, pues el combustible es el agua, un recurso completamente renovable y de un alto nivel de rendimiento y no contamina la atmosfera. Además para evitar inundaciones, ya que regula el caudal del rio; el riego de cultivos, el suministro de agua, caminos de navegación, ornamentación del terreno y fomentar el turismo.

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El origen de la energía hidráulica esta en el ciclo hidrológico de las lluvias y por tanto en la evaporación solar y la climatología, que remontan grandes cantidades de agua a zonas elevadas de los continentes alimentado los ríos. Estos procesos esta originado de manera primaria por la radiación solar que recibe la tierra.

Estas características hacen que sea significativo en regiones donde existe una combinación adecuada de lluvias, desniveles geológicos y orografía favorable para la construcción de presas.

Es debido a la energía potencial contenida en las masas de aguas que transmiten los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo.

Empuje que se le aplica a las turbinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía mecánica. Esta se propaga a los generadores acoplados a las turbinas.

La construcción de un embalse supone la inundación de importantes extensiones de terreno, a veces aéreas fértiles o de gran valor ecológico, así como el abandono de pueblos y el desplazamiento de poblaciones, los animales no pueden cumplir con sus ciclos biológicos, ya que constituye un obstáculo.

El agua detenida en el embalse es diferente al agua de la que fluye, no tiene las mismas

Figura 2. Vista panorámica Central Hidroeléctrica Jaguas

La energía se transforma, es decir, no se pierde.

Concentrando grandes cantidades de agua en un embalse se obtiene energía potencial. Por la acción de la gravad, el agua adquiere energía cinética cuando pasa de un nivel superior a uno bajo, a través de las obras de conducción. A la energía desarrollada por el agua se le denomina energía hidráulica.

Condiciones de sanidad, ni gases disueltos, temperatura, ni nutrientes, en otras palabras, dicha agua está contaminada.

Su edificación suele ser muy costosa y requiere mucho tiempo a diferencia de las centrales eléctricas. Además la disponibilidad de energía puede fluctuar de acuerdo con el régimen de lluvias, de estación en estación y de año en año.

Por la masa y la velocidad, el agua produce un 6 3 JUNIO 2014

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7. CENTRAL HIDROELÉCTRICA La

JAGUAS central Jaguas, con una

capacidad de 170 MW, está localizada en el departamento de Antioquia, sobre las hoyas de los ríos Nare y Guatapé, en jurisdicción de los municipios de San Rafael, San Roque, Alejandría, Concepción y Santo Domingo.

Inicio operaciones en 1988 con dos unidades de 85 MW cada una.

La presa Guillermo cano sobre el rio Nare consiste en una estructura del tipo gravedad en tierra con 63 m de altura y 580 m de longitud en la cresta, formando un embalse de 3 184.2Mm , para el rebose se cuenta con un vertedero del tipo canal abierto, diseñado para evacuar la creciente máxima probable estimada de 2.010 m3 /s.

Como obra adicional cuenta con una presa de zona baja sobre la margen derecha del rio Nare que cumple con la función de cerrar una depresión en la línea

Figura 4. Ubicación Central Hidroeléctrica Jaguas

Divisoria de las hoyas de los ríos Nare y Guatape. Esta presa de zona baja tiene una longitud de 715m y una altura máxima de desde su fundación de 50m.

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7.2 ETAPAS DE LA TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA

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Cada turbina dispone de una válvula de admisión.

Las turbinas son tipo Francis de eje vertical con una potencia nominal de 96 MW cada una, con caída de diseño de 245 m y una velocidad de 400 rpm. Están acopladas a generadores sincrónicos, trifásicos de 94 MWA a 13.8 KW y factor de potencia de 0.95. Los generadores tienen excitaciones estáticas alimentadas por transformadores conectados directamente en sus barras.

De cada uno de los transformadores salen cables de potencia de alta tensión a 230 KV, aislados en aceite, los cuales a través del pozo de cables conectan los transformadores principales con la estructura y la subestación de la Central.

La Central cuenta con un moderno sistema de supervisión y control SCADA, el cual incluye una serie de servidores redundantes para el manejo de la información del proceso en tiempo real e histórica con un mayor confiabilidad y disponibilidad de los sistemas, a través de una red de datos de alta velocidad en fibra óptica se garantiza una mejor gestión de la operación.

Se cuenta con dos transformadores trifásicos de 103.5 MVA que elevan la tensión al nivel de transmisión de 230 KV. De cada uno de los transformadores de potencia sale un circuito trifásico de 238 KV en cables mono polares con aislamiento en papel impregnado de aceite.

Se cuenta con todos los equipos asociados de ventilación y enfriamiento de aire de la caverna, los equipos de detección y extinción de incendios para las celdas de transformadores y los generadores.

Figura 6. Casa de maquinas central hidroeléctrica Jaguas 2013

Figura 5. Embalse hidroeléctrica Jaguas

La energía producida por la central Jaguas es suministrada al Sistema de Transmisión Nacional, STN, mediante una subestación a 230 KV que tiene configuración, barra principal y transferencia.

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Para poder analizar correctamente la eficiencia de La Central, es necesario realizar diferentes cálculos basados en la medida de las siguientes variables físicas, aunque no todas ellas son imprescindibles: 

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Caudal turbinado. Mediante un método absoluto (p.e. sistema permanente de ultrasonidos) o relativo índex (p.e. WinterKennedy) Nivel en la cámara de carga Nivel de desagüe Apertura: alabes del distribuidor, palas del rodete, inyectores.

Presión estática a la entrada de la turbina.

Potencia generada en el alternador.

Temperatura del agua.

salida y la energía de entrada del elemento en cuestión (circuito, alternador, turbina, grupo, etc.) la determinación de estos rendimientos requiere por tanto la medida y el cálculo de una serie de parámetros, tales como: potencia eléctrica, perdidas, caudales, salto neto, salto bruto, salto estático, velocidades, aceleración de la gravedad, densidades, cotas y demás factores.

Se define en función de potencias (P), por la expresión:

Con la medida de las señales ya mencionadas, se realiza el cálculo de las siguientes variables:             

Caudal turbinado Sumergencia Saltos estático, bruto y neto Perdida de carga total Salto neto equivalente Potencia equivalente Caudal equivalente Rendimiento del circuito hidráulico Rendimiento de la turbina Rendimiento el generador Rendimiento del grupo Rendimiento global de la instalación Equivalente energético

El rendimientos o eficiencia en una central hidroeléctrica es el cociente entre la energía de

El circuito hidráulico es el elemento de transporte fluido, su eficacia se mide en términos de pérdida de carga y se define como: 11

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Es la relación entre la potencia eléctrica por el alternador y la potencia mecánica absorbida por el mismo Figura 7. Sistema de control de La Central

Es el rendimiento del conjunto turbina-alternador.

 

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 Se define como la relación entre la potencia eléctrica desarrollada por los alternadores y la potencia hidráulica total disponible.

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 El conocimiento de los diferentes rendimientos de La Central, se traduce en una mejor explotación de la misma mediantes la optimización del aprovechamiento del agua disponible.

Adicionalmente, sirve para realizar un seguimiento de la unidad, cuyo desgaste y deterioro, en cada momento, se traduce en una pérdida de rendimiento de la instalación, se enumeran a continuación algunos de los beneficios que permite el conocimiento de los rendimientos: 3 JUNIO 2014

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Maximizar la energía producida por la planta Determinar el grado de cumplimientos de las garantías contractuales ofertadas por el fabricante.

Determinar, en maquinas de doble regulación, la correlación optima de aperturas (leva) entre palas del rodete y alabes del distribuidor.

Determinar en turbinas Francis la secuencia optima de funcionamiento de inyectores.

Evaluar la posibilidad de una mejora energética mediante la sustitución de alguno de los elementos de la turbina, por ejemplo, mediante el cambio del rodete.

Evaluar la importancia del sistema de aireación de la turbina, en las prestaciones de la maquina.

Controlar el grado de deterioro de las conducciones con el paso del tiempo.

Verificar el cumplimiento de las garantías de diseño y construcción del circuito.

Conocer las pérdidas de carga que se producen en los diferentes de la instalación.

Valorar las alteraciones producidas en el rendimiento como consecuencia de reparaciones o modificaciones realizadas.

Determinar el caudal turbinado por cada uno de los grupos de la instalación.

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Esta Central, tiene un complejo sistema de control, es una de las instalaciones en toda Antioquia donde se ve claramente, las ventajas y el desarrollo de la teoría de control a gran escala.

Donde se debe regular cada pequeño detalle, pues se puede convertir en un problema inmanejable, en proporciones colosales. Es un orgullo para la región y el país poder contar con centrales como esta donde se está en a la vanguardia respecto a tecnología y potencia.

una de las principales problemáticas que se presentan a la hora de construir una central hidroeléctrica, surge por el maltrato que sufre el medio ambiente, puesto que estas requieren la concentración de grandes cantidades de agua de un embalse la cual afecta el terreno, acabando así con la flora y la fauna en proporciones considerables, dando paso a la extinción de las distintas especies y por ende al deterioro respecto al estado natural del ecosistema, otra desventaja a la hora de construir una hidroeléctrica es tener que inundar grandes extensiones de tierra que se requieren para el cultivo, el ganado, y demás fuentes de ingresos para las personas del campo, por otro lado su edificación es muy costosa.

Debido a estas a las desventajas, se propone crear una central mini hidroeléctrica a filo de agua, la cual consiste en utilizar parte del flujo del agua del rio, para general energía eléctrica, operando en forma continua puesto que no tiene capacidad para almacenar agua, sin la necesidad de disponer de un embalse; sería mucho más respetuosa con el medio ambiente, pues no representaría una barrera, el paisaje no cambiaria de una manera tan drástica y por otro lado se beneficia de los avances tecnológicos, logrando un rendimiento y una viabilidad económica razonable.

Una central hidroeléctrica es una instalación que se utiliza para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía hidráulica, esto representa distintas ventajas para el medio ambiente y para el hombre, pero a su vez también surgen varias desventajas para ambas partes, que permiten cuestionar y poner en una balanza los beneficios y perjuicios que nacen a raíz de la construcción de una hidroeléctrica.

El generar energía eléctrica mediante el movimiento de las aguas de un rio, permite que esta sea mucho más segura, limpia y económica en comparación a la que se obtiene mediante los combustibles fósiles o la energía nuclear. Esto se logra ya que el combustible de la planta es el agua, un recurso completamente renovable de un alto nivel de rendimiento y no contamina la atmosfera, pues no emite gases “invernadero” o emisiones toxicas, ni provoca lluvia acida. El embalse sirve también como un suministro de agua para el riego de los cultivos, para la ornamentación del terreno y fomentar el turismo, a la vez que evita inundaciones puesto que regula el caudal del rio.

Si se limita a ver solos los beneficios que surgen a raíz de la construcción de una hidroeléctrica, se diría que es la forma perfecta para la obtención de energía eléctrica, es por esto que también se deben conocer las desventajas que con esta aparecen, por ejemplo, la edificación del embalse supone la inundación de importantes extensiones de terreno, como aéreas fértiles o de gran valor ecológico incidiendo sobre el ecosistema del lugar , así como el desplazamiento de poblaciones tanto humanas como animales, para esta ultima su grado de adaptabilidad no es tan alto como el de los hombres, haciendo que muchas especies entren en peligro de extinción al no poder cumplir con sus ciclos biológicos, en materia ecológica también se tiene que los embalses afectan los causes provocando la erosión del lecho del rio, esta agua retenida en el embalse es diferente al agua del rio que fluye, pues no tiene las mismas 13

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condiciones de sanidad, gases disueltos, temperatura, ni nutrientes y demás propiedades, es decir, el agua detenida se contamina. También en términos económicos, su construcción no es muy favorable ya que es muy costosa y requiere de mucho tiempo por el hecho que los emplazamientos hidráulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, por lo que es necesario transportar la energía eléctrica producida a través de redes, y desde el punto de vista de eficiencia, esta fluctúa por la disponibilidad de energía que cambia dependiendo del régimen de lluvias, la estación o el año.

[10]http://www.eafit.edu.co/memoriaempresarial [11]http://www.eltiempo.com/archivo/documento/M AM-3078228 [12]http://www.epm.com.co [13]http://www.flaticon.es [14]http://www.isagen.com.co [15]http://www.malacologia.com.ar [16]http://www.monografias.com

Las centrales hidroeléctricas dan solución a distintos problemas ambientales, pero también dan lugar a otros, que abren la posibilidad para mejorarlas y hacerlas más amigables con los distintos ecosistemas donde se construyen, pues no solo se puede pensar en el beneficio del hombre, sino también en el de su entorno en general que le brinda todos los recursos necesarios para sobrevivir, y poner en una balanza, como se dijo anteriormente, para poder concluir que es lo verdaderamente importante y que representa una ganancia para todas las partes.

[1]http://2.bp.blogspot.com/ [2]http://4.bp.blogspot.com/ [3]http://cardonadavid1996.blogspot.com/ [4]http://centralhidroelectricas.blogspot.com/ [5]http://es.scribd.com/ [6]http://huacho.info [7]http://jumanjisolar.com [8]http://mercadoenergia.com/mercado/ [9]http://revistas.javeriana.edu.co/index.php/scienta rium/article/view/5090

Figura 8.Resume distribución de la energía eléctrica.

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