Operación de la central hidroeléctrica

En el diseño de turbinas y máquinas, es necesaria la utilización conjunta de teoría y experimentación. El análisis dimensional previo permite reducir la experimentación necesaria para conseguir un buen diseño de una máquina de determinado tamaño y velocidad; mediante la semejanza física, es posible adaptar estos resultados a otras velocidades de giro, o a máquinas geométricamente semejantes, pero de tamaños diferentes.

En todos los procesos, es necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, como presión, caudal, nivel, temperatura o velocidad. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en mejores condiciones que las que un operador podría realizar.

Transductores de caudal

Son los medidores de caudal para las turbinas y consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor, y la diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta.

De esta manera, el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales, evitando así un rozamiento que necesariamente se produciría. Esta es la razón de que se pueda utilizar como mecanismo de medida.

Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina y, por tanto, el caudal de flujo:

1. De reluctancia: la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanentemente montado en una bobina captadora exterior.
2. Inductivo: el rotor incorpora un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior. La frecuencia generada por el rotor de la turbina es proporcional al caudal, y el número de impulsos por unidad de caudal es constante.

La turbina está limitada por la viscosidad del fluido, debido al cambio que se produce en la velocidad del líquido a través de la tubería cuando aumenta la viscosidad. En las paredes, el fluido se mueve más lentamente que en el centro, de manera que, las puntas de las palas no pueden girar a mayor velocidad. Este transductor, o medidor volumétrico por velocidad, es adecuado para la medida de caudales de líquidos limpios o filtrados; se debe instalar de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del agua a alta velocidad contra el medidor en vacío lo dañaría. La frecuencia generada por el medidor de la turbina se transmite a un convertidor indicador o totalizador.

Reguladores de velocidad

En general, las turbinas están provistas de reguladores automáticos compuestos básicamente de un órgano sensible a las variaciones de velocidad de la turbina, el cual pone en movimiento a un servomotor que obliga a girar las paletas directrices del distribuidor.

Actualmente se utilizan los reguladores de presión de aceite, los cuales consisten en un péndulo centrífugo que mueve en un sentido o en otro una válvula de distribución que dirige el aceite a presión hacia una cara u otra del émbolo del servomotor, abriendo o cerrando el distribuidor de la turbina.

En las turbinas hidráulicas, el rodete que gira con velocidad uniforme recibe del agua presiones equivalentes a un par de fuerzas y permite obtener en el eje un determinado trabajo mecánico. El regulador es el mecanismo encargado de equilibrar en los motores el par motor y el par resistente a fin de que, en régimen, la máquina gire a velocidad constante. El dispositivo de regulación consta, en primer lugar, de un indicador de velocidad o tacómetro que recibe generalmente el nombre de regulador, y en segundo lugar de un dispositivo que, por la acción del regulador, actúa sobre la distribución del motor y su entrada de combustible.

El eje del regulador es movido por engranajes o por correas, y gira a una velocidad angular que arrastra en su movimiento las dos masas, en general, de forma esférica, cuya distancia al eje es variable, y que por efecto de la fuerza centrífuga se separan. La mayoría de las turbinas tienden a embalarse o acelerarse al disminuir el par resistente (esto es, desacoplarse del generador) mientras que, si dicho par aumenta, la velocidad del motor disminuye hasta anularse.

Las masas en movimiento giratorio pueden absorber el exceso de energía (o el defecto) durante un corto espacio de tiempo, pero no pueden, como es lógico, absorber una diferencia durante un largo tiempo entre la potencia de la máquina y la resistente. Esto puede solventarse variando la entrada de agua en la turbina.

Para la detección de velocidad, se emplean los siguientes dispositivos:

1. Sonda de régimen de giro: determina la velocidad de giro de la máquina mediante los impulsos originados por la reflexión de rayos infrarrojos en una banda incorporada al eje.
2. Sonda de esfuerzo: mide la deformación de un brazo, causado por un tensor conectado a la cinta.

Sondas o captadores de vibración

Tienen la función de tomar las vibraciones totales de la máquina hidráulica. Se aplican para el registro periódico de los niveles de vibración y pueden utilizarse para el balanceo dinámico de los rotores.

Estas sondas están compuestas por filtros, que son dispositivos que desechan o descartan los ruidos de la señal, para que esta sea más significativa. Las señales recogidas por estos instrumentos son eléctricas y requieren ser convertidas en señales analógicas o digitalizadas para lograr su entendimiento. La información obtenida de estas sondas permitirá relacionar los eventos de ocurrencia de la vibración a los componentes que están ligados al movimiento dinámico de la máquina.

Esta información facilitará la identificación de las causas que producen la vibración y las posibles fuerzas dinámicas perjudiciales para la máquina. Las vibraciones pueden causar en la turbina desalineación, desgaste de cojinetes, cavitación, torsión en ejes, desgaste de engranajes, partes sueltas, defectos eléctricos, averías en rodamientos, deterioro de soportes, esfuerzos en tuberías, distorsión térmica y desgaste en carcasas, entre otras.

Sondas de presión

La presión es una variable fundamental en este tipo de instalaciones y su medición puede utilizarse directamente para controlarlas o para inferir otras mediciones como el nivel, flujo y temperatura.

Las sondas o transductores utilizados se conectan a un transmisor neumático o electrónico con el fin de emitir una señal de 0.02 a 0.10 MPa.

Algunos tipos son:

1. Sonda de presión diferencial: posee tomas en ambos lados de la placa orificio con el fin de medir el caudal de paso. La sonda se conecta a las tomas de la placa orificio mediante conexiones elásticas. Es el método de medición más común, tanto para control como para indicación.
2. Sonda de presión: se encarga de determinar la diferencia de presión a ambos lados de la turbina.

Indicadores de temperatura

El aumento de la temperatura está relacionado con el aumento de fricción, por lo tanto, es importante en una turbina hidráulica (pérdidas primarias y secundarias) controlar los cambios de temperatura, ya que pueden indicar un mal funcionamiento de algunas piezas.

Para medir la temperatura se utilizan sensores, llamados termopares, que son dos alambres unidos de diferentes materiales para producir una fuerza térmica electromotriz.

Válvulas

Son unos dispositivos mecánicos que permiten abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar el agua u otros líquidos dentro de la turbina.

Los tipos de válvulas más empleadas son:

1. Válvula de mariposa: válvula de cuarto de vuelta que controla el flujo por medio de un disco circular, cuyo eje de lumbrera se encuentra en ángulo recto con respecto a la dirección del flujo. Se utiliza para la regulación tosca del salto de la turbina.
2. Válvula de flotador: válvula de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o macho que sella o evita el paso del fluido sobre un asiento que suele ser paralelo al flujo en la tubería. Se utiliza para regular el nivel dentro de la cúpula del tanque de agua inferior, donde se varía la presión.