Las centrales hidroeléctricas son una de las instalaciones más antiguas utilizadas por el ser humano para aprovechar el flujo de agua para la generación de energía eléctrica.

Es importante recordar que entre los equipos y componentes principales de las centrales hidroeléctricas se encuentran: la tubería de presión, la voluta o caracol, el antedistribuidor, el distribuidor, la turbina hidráulica, el tubo de desfogue y el generador eléctrico. El antedistribuidor y el distribuidor están constituidos por álabes o paletas que dirigen el agua desde la tubería de presión hacia la turbina.


Todo lo que construye el ser humano y los seres vivos (flora y fauna) que existen en el planeta, envejecen y se deterioran con el paso del tiempo. Estos fenómenos también ocurren en los equipos y componentes, y se deben a diversos factores que se presentan a lo largo de su vida útil (vida de operación), como fallas imprevistas, falta de mantenimiento y falta de actualización o modernización de los componentes.

Para realizar una actualización o modernización de los componentes de las centrales hidroeléctricas y lograr extender su vida útil, así como mejorar su eficiencia y potencia, es necesario aplicar metodologías que incluyan el análisis de las variables que impactan en mayor medida en el funcionamiento de los componentes críticos. En este artículo se presenta, de forma simplificada y como ejemplo, el proceso de modernización de rodetes de turbinas hidráulicas tipo Francis, aplicando dos de las herramientas de diseño más importantes, el Análisis de Elementos Finitos (Element Analisis, FEA, por sus siglas en inglés) y la Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD, por sus siglas en inglés). La metodología incluye los siguientes pasos:

 Identificar los parámetros más indicativos del "estado de salud" de los componentes

Para la identificación y análisis de los parámetros más indicativos del "estado de salud", o estado de funcionamiento (operación), de los componentes principales, es fundamental conocer las variables que son necesarias atender para modernizar un componente. Para el caso de los componentes mecánicos, por ejemplo, como la turbina hidráulica, la eficiencia y potencia son determinantes para establecer la condición de éste componente.

 Analizar las variables o parámetros

El análisis de la eficiencia y potencia con respecto al volumen de agua por unidad de tiempo que pasa por la turbina, incluye la realización de una serie de pasos para mejorar (optimar) su funcionamiento.
⋅Efectuar un análisis detallado del comportamiento del fluido a través de los canales de flujo del rodete, lo que incluye:

- Realizar un modelo geométrico de los canales de flujo. El modelo 3D de la geometría final del rodete se muestra en la Figura 1.

- Dividir el modelo geométrico en un número adecuado de pequeños volúmenes o partes, aplicando técnicas numéricas.

- Obtener el modelo mejorado del canal de flujo (huecos por donde pasa el agua a través de la turbina), aplicando técnicas numéricas como dinámica de fluidos computacional.

- El análisis de los resultados para la determinación del modelo óptimo implica la revisión de los parámetros significativos del comportamiento del rodete, como la potencia.

⋅Realizar un análisis que garantice que el modelo mejorado no fallará durante la nueva etapa de vida.

- Realizar un modelo geométrico de las partes o secciones sólidas del rodete (ver Figura 2).

- Dividir el modelo geométrico en un número adecuado de pequeños elementos o partes, aplicando técnicas numéricas (ver Figura 3).

- Obtener el modelo mejorado de secciones sólidas del rodete, aplicando técnicas numéricas. Los análisis efectuados en este proceso incluyen la determinación de las cargas del fluido sobre las paredes del modelo sólido, así como el cálculo de los esfuerzos mecánicos sobre el componente, a este análisis se le conoce como análisis fluido-estructura. Además, es necesario obtener las formas en que vibrará el rodete, a este análisis se le conoce como análisis modal; finalmente, es importante efectuar un análisis de fatiga que considere las cargas alternantes a las que estará sujeto el rodete durante las diferentes condiciones de operación.

 Generar los planos de fabricación del modelo del rodete optimizado

Para poder operar en condiciones reales el rodete optimizado, es necesario generar los planos de fabricación. Esta información incluye los planos con sobre-espesores para las partes forjadas, planos con dimensiones y tolerancias de maquinado. También es necesario desarrollar los procedimientos para la manufactura del rodete. En términos generales, se desarrollan planos para álabes, corona, banda y sellos.

 Fabricar los componentes modernizados

Mediante los planos y procedimientos de fabricación, se procede a fabricar, en talleres especializados, cada uno de los componentes del rodete (corona, banda, álabes).

Durante el proceso de fabricación es necesario verificar la calidad de las reparaciones, rehabilitaciones o modernizaciones sugeridas. Esto permite identificar las limitaciones de fabricación y garantizar la integridad mecánica del rodete.

 Integrar los componentes modernizados a las instalaciones de la central hidroeléctrica y realizar pruebas

Una vez que el rodete optimizado se instala o integra en la casa de máquinas de la central hidroeléctrica, se realizan nuevamente las pruebas de comportamiento del grupo turbogenerador y demás componentes, para obtener las curvas de eficiencia, carga hidráulica y potencia contra flujo.

El INEEL ha participado desde hace más de 40 años en proyectos para la Comisión Federal de Electricidad, específicamente en el área de hidromecánica, creando infraestructura para el estudio de transitorios hidráulicos con enfoque al diseño y optimización de centrales hidroeléctricas con y sin rebombeo, sistemas computacionales para el análisis de transitorios hidro-mecánico-eléctricos y la determinación del golpe de ariete, entre otros. Adicionalmente, ha trabajado en la investigación sobre el almacenamiento de energía por medio de centrales hidroeléctricas con rebombeo. También ha realizado proyectos para la optimización de rodetes de turbinas tipo Francis a través de la aplicación de redes neuronales y algoritmos genéticos, así como análisis de la dinámica de fluidos que contribuyen al mejor comportamiento hidrodinámico. Estos resultados se complementan con análisis para determinar el estado estructural, resistencia a cargas de fatiga y comportamiento dinámico del rodete. Además, ha realizado proyectos de reparación, modernización, monitoreo y diagnóstico de fallas en turbogrupos, análisis de confiabilidad de centrales hidroeléctricas, por mencionar algunos proyectos.

El INEEL puede contribuir a los retos del sector energético actuales, particularmente en el campo de las energías limpias y renovables, a través de la investigación, desarrollo tecnológico e innovación en las siguientes áreas:

Desarrollo de turbinas hidráulicas con eficiencia mejorada.

Desarrollo de sistemas o herramientas de monitoreo.

Modernización de las centrales hidroeléctricas actuales.

Diseño e implementación de plantas hidráulicas de pequeña escala: micros, minis y pequeñas.

Operación y mantenimiento de equipos.

Plantas de rebombeo para el almacenamiento de energía hidráulica.

Análisis y evaluación de los ciclos de operación de las plantas de rebombeo durante los picos de demanda de energía y durante la baja demanda.

Estrategias de integración y operación coordinada con otras fuentes de energía renovable.

Estudios hidrológicos para determinar el potencial actual de los recursos.

Calidad del agua: mantenimiento y mejoramiento.

Vigilancia y verificación de la seguridad de las presas.

Gestión de los recursos hídricos.

Desarrollo, implementación y validación de metodologías de impacto social bajo estándares nacionales e internacionales.

La aplicación de la dinámica de fluidos computacional (CFD) puede mejorar los diseños reales de los rodetes y la eficiencia de las unidades de generación de energía hidráulica. Así mismo, para asegurar la integridad mecánica se requiere un análisis estructural, utilizando análisis de elemento finito (FEA). La forma optimizada del rodete también requiere una revisión desde el punto de vista de la fabricación, para identificar las limitaciones de fabricación y garantizar su integridad mecánica. Los resultados de la optimización numérica han demostrado que se podría lograr una mejora significativa en el rediseño de los rodetes de turbinas hidráulicas.

Autores:
José Manuel Franco Nava, jmfranco@ineel.mx
Oscar Dorantes Gómez, dorantes@ineel.mx