Estudio de fenómenos transitorios en aducciones de centrales hidroeléctricas análisis comparativo considerando fenómenos acoplados vs desacoplados

Abstract

En Chile, la generación energética basada en centrales hidroeléctricas representa un gran porcentaje del total producido (29 %) en el país. Dada la naturaleza fluctuante del recurso utilizado es que se pueden producir fenómenos transitorios asociados a la apertura y cierre de válvulas reguladoras de flujo. Dos fenómenos importantes que se producen son el golpe de ariete y las oscilaciones de masa. El objetivo general de esta memoria de título es evaluar el diseño hidráulico de aducciones de centrales hidroeléctricas con énfasis en el análisis de los fenómenos transitorios de manera acoplada. Para ello, se propone un modelo numérico que incluya ambos fenómenos y con esto poder diseñar de mejor manera las aducciones de centrales hidroeléctricas. La metodología empleada considera primero ambos fenómenos de manera desacoplada; para las oscilaciones de masa se utiliza el método de Jakobsen y el de Runge-Kutta de orden cuatro y para el golpe de ariete, la ecuación de Allievi, el método de la columna rígida y el método de las características. Para analizar el caso acoplado, se utiliza el método de las características con una condición de borde especial que incluye el acoplamiento de una chimenea de equilibrio. También se considera 2 tipos distintos de cierre de válvula: un cierre instantáneo y un cierre lineal. Como resultado, se obtiene que las oscilaciones de masa ocurridas en la chimenea de equilibrio al considerar el caso desacoplado, varían considerablemente dependiendo del método utilizado, del área de la chimenea de equilibrio y del tipo de cierre de válvula; independientemente del método utilizado y del cierre de válvula, a mayor área de la chimenea de equilibrio, las oscilaciones presentes son menores. Por otra parte, al estudiar el golpe de ariete de manera desacoplada los resultados son distintos entre sí pero presentan un comportamiento similar para el aumento de altura piezométrica al interior de la tubería. Finalmente, el acoplamiento de fenómenos muestra que las oscilaciones de altura piezométrica tienen una mayor atenuación y se puede observar el fenómeno de carga/descarga de caudal desde la chimenea de equilibrio hacia la tubería forzada. Además, el aumento máximo de altura piezométrica es mayor en el caso acoplado que en el caso desacoplado. Se concluye que el caso acoplado, representa una mejor solución que el caso desacoplado ya que se pueden observar fenómenos que, al estudiar de manera desacoplada, no están presentes como es la carga/descarga de caudal desde la chimenea de equilibrio. También el uso de chimeneas de equilibrio para atenuar los aumentos de altura piezométrica debe ser muy bien estudiada ya que, al ser implementada de manera incorrecta, puede producir efectos adversos sobre los otros componentes del sistema de aducción. Como recomendación para la memoria de título, se propone realizar mediciones experimentales en una central modelo, como también estudiar el impacto de la posición de la chimenea de equilibrio y la geometría de esta.